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Dokumentenidentifikation DE3689319T2 16.06.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0202118
Titel Massenspektrometer mit magnetischem Sektor.
Anmelder Fisons plc, Ipswich, Suffolk, GB
Erfinder Bateman, Robert Harold, Knutsford Cheshire, WA16 8BH, GB;
Burns, Peter, deceased, GB
Vertreter Zumstein, F., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Klingseisen, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 80331 München
DE-Aktenzeichen 3689319
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.05.1986
EP-Aktenzeichen 863036687
EP-Offenlegungsdatum 20.11.1986
EP date of grant 24.11.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.06.1994
IPC-Hauptklasse H01J 49/30
IPC-Nebenklasse G21K 1/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einem Magnetsektoranalysator und einen Elektromagneten, der zum Erzeugen des magnetischen Feldes verwendet wird, das bei solch einem Spektrometer erforderlich ist.

Bei einem Magnetsektoranalysator wird ein Ionenstrahl durch ein magnetisches Feld um einen Betrag abgelenkt, der von dem Massen/Ladungsverhältnis der Ionen abhängt, nachdem der Strahl durch einen elektrischen Potentialgradienten beschleunigt worden ist. Falls das magnetische Feld homogen ist, ist die Trajektorie der Ionen kreisförmig und hat einen Radius, der proportional zur Quadratwurzel des Massen/Ladungsverhältnisses der Ionen ist. Ionen mit unterschiedlichen Massen/Ladungsverhältnissen werden durch Festlegen des Radius des Sektoranalysators mittels enger Schlitze und Ändern der Stärke des magnetischen Feldes ausgewählt. Ein Magnetsektoranalysator hat sowohl dispersive Eigenschaften als auch fokussierende Eigenschaften und kann ausgebildet werden, um ein Abbild einer Ionenquelle zu bilden, durch Vorsehen, daß die Feldgrenzen bezüglich der Stelle der Quelle korrekt geformt sind und durch Vorsehen von Objektschlitzen. Die Herstellung von Magnetsektoranalysatoren, die die Vorteile dieser Eigenschaften ausnützen, ist natürlich im Stand der Technik gut bekannt, aber soweit wir es übersehen, sind alle Magnetsektormassenspektrometer mit einem Massenbereich, der groß genug für eine organisch-chemische Analyse ist, soweit sie hergestellt und in der Literatur beschrieben sind, entweder mit einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten mit ferromagnetischem (gewöhnlich Eisen) Kern versehen, um das magnetische Feld zu erzeugen.

Solche Instrumente unterliegen zwei gewichtigen Nachteilen. Erstes ist die Induktivität eines großen Elektromagneten mit einem Eisenkern groß, und eine Grenze ist folglich durch die Geschwindigkeit, mit der das Feld geändert werden kann, gegeben, selbst wenn teuere und komplizierte Stromversorgungen verwendet werden, und der Kern laminiert ist, um Wirbelströme zu vermindern. Die Geschwindigkeit, mit der ein Massenspektrometer abgetastet werden kann, ist daher begrenzt, was insbesondere bei Gaschromatographie-Massenspektrometergeräten von Belang ist. Zweitens und am ernsthaftesten bedeutet die Hysterese, die einem Elektromagneten dieser Art inhärent ist, daß es keine einfache lineare Beziehung zwischen dem Strom durch die elektromagnetischen Spulen und dem Feld zwischen den Polen gibt. In der Tat ist die tatsächliche Beziehung unterschiedlich, wenn das Feld erhöht wird, im Vergleich dazu, wenn es vermindert wird. Um diese Wirkung der Hysterese zu überwinden, muß ein kompliziertes Kalibrierungsverfahren ausgeführt werden. Dies beinhaltet die Zugabe von einer Referenzsubstanz in das Spektrometer, die eine Reihe von Spitzen an einem genau bekannten Massen/Ladungsverhältnis in dem sich ergebenden Massenspektrum erzeugt, um die genaue Bestimmung des Massen/Ladungsverhältnisses der Spitzen der Probe zu erlauben. Einige Arten von Magnetfeldsensoren, wie z. B. eine Hall-Sonde, werden auch häufig verwendet, um eine sichtbare Anzeige des Massen/- Ladungsverhältnisses der Ionen, die durch den Sektor übertragen werden, zu erhalten und den Strom durch die elektromagnetischen Spulen so zu steuern, daß die übertragene Masse in eine bekannte Zeitbeziehung gezwungen wird, um eine kalibrierte Abtastung vorzusehen. Wenn das Spektrometer in der Betriebsart verwendet wird, die als "Spitzenschalten" oder "Vielfachionenwahrnehmung" bekannt ist, muß das magnetische Feld in einer schrittweisen Art und Weise der Reihe nach auf jede zu überwachende Masse eingestellt werden. Wegen der beschriebenen Probleme erreicht die maximale Geschwindigkeit, mit der dies bei herkömmlichen Geräten ausgeführt werden kann, nicht die wünschenswerten Werte, obwohl komplizierte Steuerschaltungen und Kalibrierungsverfahren verwendet werden. Deshalb ist die Leistung von Magnetsektorgeräten bzw. Magnetsektorinstrumenten geringer als die von Quadrupolmassenanalysatoren. Ein weiteres Problem ist das der Hysterese des mit Eisenkern versehenen Magneten, das die Genauigkeit, mit der der Magnetsektor eingestellt werden kann, um eine bestimmte Masse zu übertragen, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der das getan werden kann, begrenzt. Folglich ist der Betrieb bei einer sehr hohen Auflösung im Spitzenschaltungsbetrieb mit herkömmlichen Instrumenten im allgemeinen unmöglich.

Obwohl es nicht schwierig ist zu sehen, daß die Verwendung eines Elektromagneten, der keinen ferromagnetischen Kern hat, größtenteils diese Probleme vermeiden, wenn nicht sogar beseitigen würde, ist kein solches Instrument beschrieben worden. Vermutlich rührt dies daher, weil es klar ist, daß der Aufbau eines nicht mit einem ferromagnetischen Kern versehenen Strahlfokussierungsmagneten ein kompliziertes Problem ist (wie es unten beschrieben wird), dessen Versuch nicht wert ist bezüglich der Tatsache, daß die Feldstärke, die für einen Massenbereich erforderlich ist, der für ein organisches Massenspektrometer geeignet ist, bei einem Spektrometer mit vernünftigen Abmessungen so groß ist, daß es nur durch einen Elektromagneten mit Eisenkern erreicht werden kann. Jedoch ist ein hochauflösendes doppeltfokussierendes Massenspektrometer mit einem sehr großen Magnetsektorradius, aber einer kleinen physikalischen Größe, nun entwickelt worden (beschrieben in der parallel anhängigen Anmeldung EP-A-202 117, eine Kopie ihrer Beschreibung ist im Verfahren der vorliegenden Anmeldung), und solch ein Instrument, das ein viel geringeres Magnetfeld erfordert, um den notwendigen Massenbereich zu erreichen, ist klarerweise ideal für die Verwendung mit einem Magneten mit nicht-ferromagnetischen Kern geeignet. Das Hauptproblem bei der Konstruktion eines Magneten mit nicht-ferromagnetischem Kern für strahlfokussierende Anwendungen ist, daß das Feld, das durch ihn erzeugt wird, nicht die scharf definierten Grenzen wie das durch einen Magnet mit Eisenpolen erzeugte hat, aber es ist noch notwendig, daß es geformt wird, um einen sehr genau und scharf definierten Brennpunkt an einer Stelle zu erzeugen, die berechnet werden kann, so daß ein vollständiges Massenspektrometer erzeugt werden kann. Weil es nicht möglich ist, das Feld durch Ändern solcher Parameter, wie der Polflächenkrümmung und -neigung, zu ändern, ist der gut eingeführte Stand der Technik zur Herstellung von strahlfokussierenden Magneten mit Eisenkernen nicht anwendbar. Nur auf dem Gebiet der Elektronenspektrometrie sind Magnete mit nicht-ferromagnetischen Kernen für vergleichbare strahlfokussierende Anwendungen verwendet worden, und in diesem Fall ist das erforderliche Feld ein zylindrisches Feld, das umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel der Radialkoordinate ist, beispielsweise wie es durch Fadley, C.S., Healey, R.N., Hollander, J.M. und Miner, C.E. in J. Appl. Phys. 1972, Bd. 43, S. 1085-8 beschrieben ist. Dies unterscheidet sich wesentlich von dem linearen homogenen Feld, das in einem Magnetsektormassenanalysator verwendet wird.

Folglich ist es auch dem Stand der Technik nicht augenscheinlich, ob es möglich wäre, einen Magnet mit einem Nicht-Eisenkern für ein Massenspektrometer zu erzeugen, noch ob solch ein Magnet ausgebildet sein könnte, um ein ausreichend gut fokussiertes Abbild zu ergeben, das Aberrationen zweiter Ordnung korrigieren könnte. Noch weniger ist es klar, welche Parameter, die seinen physikalischen Aufbau definieren, eingestellt werden könnten, um Aberrationen zweiter Ordnung zu korrigieren und ein geschwindigkeitsfokussiertes Abbild zu erzeugen, wenn der Magnetsektor einen Teil eines doppeltfokussierenden Massenspektrometers bildet.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetsektormassenspektrometer vorzusehen mit einem Elektromagneten mit einem nicht-ferromagnetischen Kern und das folglich größtenteils frei von den Problemen von Magneten mit Eisenkern ist, die oben beschrieben sind.

In Übereinstimmung zu dieser Aufgabe ist ein Massenspektrometer mit einem Magnetsektoranalysator vorgesehen, der angeordnet ist, um Ionen eines Massen/Ladungsverhältnisses, das durch den Analysator ausgewählt ist, dazu zu bringen, sich längs einer Trajektorie mit einer wesentlichen kreisbogenförmigen Achse in einer ersten Achse zu bewegen, wobei der Analysator wenigstens zwei elektrische Leiterabschnitte mit im wesentlichen Kreisbogenform von jeweils einem größeren und kleineren Radius als die kreisförmige Trajektorie umfaßt und auf radial gegenüberliegenden Seiten einer gekrümmten Ebene vorliegt, die mit der kreisförmigen Trajektorie übereinstimmt und senkrecht zu der ersten Ebene ist, und wobei im wesentlichen der gesamte magnetische Fluß, der durch den Durchgang eines elektrischen Stromes durch die Leiterabschnitte erzeugt wird, nur durch nicht-ferromagnetisches Material verläuft. Auf diese Art und Weise wird ein magnetisches Feld erzeugt, das im wesentlichen homogen längs der Bewegungsrichtung der Ionen ist (die x- Richtung), so daß die Trajektorie der Ionen im wesentlichen kreisförmig ist. Falls die Achse, längs der die Ionen durch den Sektor dispergiert werden, als y-Achse definiert wird, wird dann, wenn die Leiter symmetrisch um die x-y-Ebene (die erste Ebene) angeordnet sind, die kreisförmige Trajektorie durch diese Ebene begrenzt. Folglich ist die Trajektorie der Ionen durch den magnetischen Sektoranalysator ähnlich zu der Trajektorie der Ionen durch einen Analysator, der mit einem herkömmlichen Magneten mit Eisenkern ausgestattet ist, der den Einbau des Magneten in ein vollständiges Massenspektrometer erleichtert.

Vorzugsweise ist die erste Ebene eine Ebene mit Spiegelsymmetrie und insbesondere vorzugsweise sollten die Leiterabschnitte symmetrisch um die z-Achse (definiert als die zu der y-Achse und dem Kreisbogen, der die x-Richtung definiert, gegenseitigen senkrechten Achse) in jeder y-z-Ebene längs der x-Richtung angeordnet sein. Dies ermöglicht, daß die Vorteile der Erfindung verwirklicht werden, wenn derselbe Strom durch jeden Leiterabschnitt verläuft, was insbesondere für die Praxis angenehm ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt vier Leiterabschnitte, die auf gegenüberliegenden Seiten der x-y-Ebene angeordnet sind und mit Nicht-Leiter in der x-y-Ebene selbst. Diese Form der Erfindung hat einen zusätzlichen Vorteil, der genau nachfolgend beschrieben wird. In einer noch weiteren bevorzugten Form sind die Leiterabschnitte auf einer Seite der x-y-Ebene paarweise verknüpft, und jene auf der anderen Seite sind paarweise verknüpft, um Spulen mit einer Einzelwicklungsbiegung zu bilden, die im wesentlichen eine teilweise kreisförmige Hauptachse haben, die mit der kreisförmigen Trajektorie der ausgewählten Ionen übereinstimmt, aber von ihr längs der z-Achse verschoben ist.

Vorzugsweise ist jeder der Leiterabschnitte eine Zusammensetzung, umfassend eine Anzahl elektrischer Leiter, so daß die bevorzugte Form des Elektromagneten zwei gebogene Spulen mit vielen Windungen umfaßt, die auf den jeweiligen Seiten der x-y-Ebene angeordnet sind, wobei die Hauptachse der Spulen mit der kreisförmigen Ionentrajektorie übereinstimmt. Um einen ausreichenden Strom durch die Spulen laufen zu lassen, sollten die Leiter vorzugsweise Streifen mit einem langgestreckten rechteckigen Querschnitt sein, der mit seinen längsten Abmessungen parallel zu der z-Achse liegt und der in der Art einer Bandrolle auf eine Bogenform gewickelt ist. Die Spulen sollten vorzugsweise mittels einer nicht-ferromagnetischen Platte mit einer guten thermischen Leitfähigkeit gekühlt werden, die Durchgänge hat, durch die ein Kühlmittel zirkuliert und die mit gutem thermischen Kontakt zu den Rändern der Leiter angeordnet ist, die jede Spule bilden, aber davon wiederum elektrisch isoliert ist. Folglich kann durch Erhöhen der Anzahl der Leiterabschnitte und Ausbilden in Form von Spulen in der oben beschriebenen Art und Weise der magnetische Fluß auf den erforderten Wert erhöht werden, ohne daß es notwendig ist, daß ein sehr hoher Strom ein oder zwei Paar Leiter durchläuft. Es ist auch möglich, Spulen mit vielen Wicklungen zu verwenden, die sich weg von der Ionentrajektorie längs der z-Achse erstrecken. Der Querschnitt dieser Spulen muß natürlich so sein, daß die wesentlichen Anforderungen der Erfindung erfüllt werden. Sie sind jedoch weniger bevorzugt, weil viele der Wicklungen zu weit von der Ionentrajektorie angeordnet sein werden, um signifikant zu der Feldstärke des Magneten beizutragen.

Jedoch ist es in jedem Fall wichtig, daß der magnetische Fluß, der durch die Spulen erzeugt wird, nicht durch irgendein ferromagnetisches Material verläuft, wenn die Vorteile der Erfindung vollständig verwirklicht werden sollen. Es ist deshalb notwendig, sicherzustellen, daß der Rahmen des Magneten selbst und die Basis bzw. die Grundplatte des Massenspektrometers usw. aus einem nicht-ferromagnetischen Material in der Umgebung des Magneten ausgebildet sind, wie z. B. Aluminium oder rostfreier Stahl. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung und der Ansprüche sind "nicht-ferromagnetische Materialien" Materialien, die entweder vollständig nicht-ferromagnetisch sind oder nur kaum ferromagnetisch sind, wie z. B. Materialien aus Aluminium und rostfreiem Stahl.

Um den Sektoranalysator in ein Massenspektrometer einzubauen, ist es notwendig, die Stelle des Bildes und des Objektes zu berechnen, die ein am schärfsten fokussiertes Abbild ergeben. Das Verfahren, mit dem dies erreicht wird, kann mit Bezug zu folgender Gleichung verstanden werden, die das Fokussierverhalten eines Magnetsektoranalysators darstellt.

y/rm = B&sub1;α + B&sub2;β + B&sub1;&sub1;α² + B&sub1;&sub2;αβ + B&sub2;&sub2;β² - [1] [1]

In Gleichung [1] ist y die Abweichung des fokussierten Strahls von dem mittleren Ionenweg im Analysator, rm der Radius des mittleren Ionenstrahls, α der Anfangswinkel zwischen einem anderen Strahl und dem mittleren Ionenstrahl, β die relative Geschwindigkeitsabweichung (Δv/v&sub0;) der Ionen in dem Strahl im Vergleich zu der Geschwindigkeit v&sub0; der Ionen des mittleren Weges, B&sub1; und B&sub2; jeweils die Aberrationskoeffizienten erster Ordnung für Winkel und Geschwindigkeit und B&sub1;&sub1;, B&sub1;&sub2; und B&sub2;&sub2; die jeweiligen Aberrationskoeffizienten zweiter Ordnung für Winkel, Winkel und Geschwindigkeit und Geschwindigkeit. Die Werte dieser Koeffizienten sind bekannt und stehen in Bezug zu den physikalischen Parametern des Magnetsektors (s. z. B. H.A. Enge, "Deflecting Magnets" in "The Focusing of Charged Particles", Ed. A. Septier, Academic Press, New York, 1967, S. 203- 263), und es ist notwendig, so viele Koeffizienten wie möglich zu minimieren, um die schärfste mögliche Abbildung zu erhalten.

Der Term erster Ordnung B&sub1; wird gleich 0 durch Auswahl der Stellen der Abbildung und des Objekts gesetzt, und dies wird dadurch sehr vereinfacht, wenn die Trajektorie kreisförmig und das Feld homogen längs der x-Richtung ist, wie es durch die Erfindung gefordert wird. Andere Vorteile, die sich aus der Verwendung eines homogenen Feldes ergeben, umfassen die Erzeugung der maximal möglichen Feldstärke für einen vorgegebenen Abstand zwischen den Leitern und einem vorgegebenen Strom durch sie und die Möglichkeit, Aberrationen zweiter Ordnung durch das unten angegebene Verfahren zu korrigieren. Im Fall eines magnetischen Sektoranalysators ist B&sub2; fixiert und kann nicht durch Einstellen eines der magnetischen Sektorparameter verändert werden. Es wird natürlich in einem doppeltfokussierenden Spektrometer (bei dem B&sub1;=B&sub2;=0 für die Endabbildung gilt) durch Kombinieren mit einem elektrostatischen Analysator kompensiert. Bei den Termen zweiter Ordnung ist B&sub1;&sub1;α² gewöhnlich der größte Term, weil α in der Praxis gewöhnlich größer als β ist. Um zu verstehen, wie der Koeffizient B&sub1;&sub1; in einem Spektrometer minimiert werden kann, das gemäß der Erfindung ausgebildet ist, ist es notwendig, die Wirkung einer Inhomogenität in dem magnetischen Feld längs der y-Achse in dem verwendeten Magneten zu verstehen, und wie die Homogenität des Feldes in der Praxis gesteuert werden kann.

Enge hat gezeigt, daß in einem Magneten mit Eisenkern die Wirkung einer Inhomogenität erster Ordnung, d. h., einer linearen Änderung der Feldstärke längs der y-Achse, die Wirkung hat, daß B&sub1; 0 wird, daß jedoch eine weitere Trajektorie existiert, die eine Abbildung mit B&sub1;=0 an einer anderen Stelle erzeugt. Folglich ändert die Einführung einer Inhomogenität erster Ordnung längs der y-Achse die Brennweite und daher den Bild- und Objektabstand des Magneten. Bei einem Magneten mit Eisenkern kann eine Inhomogenität dieser Art durch die Verwendung eines sich verjüngenden Spaltes zwischen den Polen des Magneten eingeführt werden. Im Fall eines Magnetsektoranalysators mit einem Magneten von der hier beschriebenen Art hat eine Inhomogenität erster Ordnung eine ähnliche Wirkung, und es ist möglich, dies in der folgenden Art und Weise auszunützen.

Die Erfinder haben festgestellt, daß es beim vorliegenden Magneten keine Inhomogenität erster Ordnung längs der y-Achse gibt, vorausgesetzt, daß die Leiterabschnitte in gleicher Anzahl auf jeder Seite der Ionentrajektorie angeordnet sind, und die Abstände von der x-y-Ebene eines jeden der Leiterabschnitte auf einer Seite der Trajektorie gleich zu dem Abstand eines anderen Leiterabschnittes von der x-y-Ebene auf der anderen Seite der Trajektorie ist. Falls die Leiterabschnitte in den jeweiligen Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der x-y-Ebene ausgebildet sind, wie es bevorzugt ist, ist diese Anforderung erfüllt, wenn die Ebene einer jeden Spule parallel zur x-y- Ebene ist. Auf diese Art und Weise gibt es keine Inhomogenität erster Ordnung längs der y-Achse an irgendeinem Punkt längs der x-Richtung (d. h., längs der gekrümmten mittleren Trajektorie der Ionen) und die Brennweite des Magneten ist gleich zu der eines Magneten mit Eisenkern ähnlicher Feldstärke eines vorbestimmten Sektorwinkels, der etwas größer als der tatsächliche Sektorwinkel des Magneten der Erfindung ist (wegen des erhöhten Anteils des Rand- bzw. Streufeldes im Fall eines Magneten mit nicht-ferromagnetischem Kern). Diese Werte können in den herkömmlichen Gleichungen für die Erzeugung eines Massenspektrometers verwendet werden, aber es ist zuerst notwendig, den tatsächlichen Wert des effektiven Sektorwinkels zu berechnen. Dies wird aufgrund einer ersten Berechnung des Feldes aller Leiterabschnitte gemacht, die den Magneten bilden, und durch Ausführen einer Reihe von Integrationen, um den tatsächlichen Wert des Feldes längs der mittigen Trajektorie zu erhalten. Dies ist ein arbeitsintensives Verfahren, aber beinhaltet nur die Anwendung von gut bekannten physikalischen und mathematischen Regeln. Der effektive Sektorwinkel ist dann der eines herkömmlichen Magneten mit Eisenkern mit demselben Wert des integrierten Feldes längs der mittigen Trajektorie, wobei es dann möglich ist, die Bild- und Objektstellen für den Magnetsektoranalysator zu berechnen, um die gewünschte Vergrößerung und Dispersion gemäß dem herkömmlichen Verfahren zu erhalten. In der Praxis ist es wünschenswert, herkömmliche elektrostatische Linsen zu verwenden, um ihre Abstände zu ändern. Dann ist es nicht notwendig, das Feldintegral sehr genau zu berechnen, und irgendeine Ungenauigkeit im Aufbau des Magneten selbst kann kompensiert werden. Es wird festgestellt, daß es mit einem Magneten dieser Art keine einfache Einstellung gibt, die ausgeführt werden kann, um Fehler zu kompensieren, die die Brennweite beeinflussen, anders als im Fall des Magneten mit Eisenkern, wo dies durch Bewegen des Magneten längs einer Achse eingestellt werden kann, die den Sektorwinkel schneidet. Jedoch kann die Brennweite verändert werden, wie es vorher erklärt worden ist, durch absichtliches Einführen einer Inhomogenität erster Ordnung in das Feld, beispielsweise durch Ausbilden des z-Achsenabstandes der Leiterabschnitte von der x-y-Ebene auf einer Seite der Trajektorie, anders als diejenigen auf der anderen Seite, während die Symmetrie um die x-y-Ebene aufrechterhalten wird. Folglich umfaßt die Erfindung ferner ein Massenspektrometer, wie es vorher definiert worden ist, mit vier Leiterabschnitten, in denen ein erster Abstand die Leiterabschnitte auf einer Seite der gekrümmten Ebene trennt, und ein zweiter Abstand die Leiterabschnitte auf der anderen Seite der gekrümmten Ebene trennt, und bei dem der erste und zweite Abstand voneinander um einen Betrag abweichen, der ausgewählt ist, um die Brennweite des Analysators auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Enge hat auch gezeigt, daß es in dem Fall eines Magneten mit Eisenkern möglich ist, den Koeffizienten B&sub1;&sub1; der Aberration zweiter Ordnung durch Einführen einer Krümmung auf den Polflächen des Magneten zu vermindern, so daß eine stärkere Fokussierwirkung für Strahlen mit einem größeren Wert von a vorgesehen wird. Mit einem Magneten ohne einen Eisenkern ist ein solches Verfahren unmöglich. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß es möglich ist, durch absichtliches Einführen einer Inhomogenität zweiter Ordnung in das Feld längs der y-Achse diesen Term zu vermindern (d. h., einen, in dem sich das Feld proportional zu y² ändert) durch Auswählen des Abstandes der Leiter entweder in der y-Richtung oder der z-Richtung, während gleiche Abstände von der x-y-Ebene oder x-z-Ebene auf beiden Seiten der Ionentrajektorie beibehalten werden. Um das optimale Feld längs der y-Dispersionsachse zu halten, ist es deshalb notwendig, sowohl die Werte des Leiterabstandes längs zur y-Achse und längs zur z-Achse als auch die tatsächliche Form und die Querschnittsfläche der Leiter oder der Spulen auszuwählen, da all diese Parameter zusammenwirken, um die Homogenität des Feldes längs zur y-Achse zu steuern. Falls die Inhomogenität zweiter Ordnung nicht korrekt ausgewählt ist, kann dann selbstverständlich der Term B&sub1;&sub1; größer sein, als wenn das Feld homogen wäre.

Folglich umfaßt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Massenspektrometer, wie es oben definiert ist, mit vier Leiterabschnitten, in denen ein dritter Abstand die Leiterabschnitte auf einer Seite der ersten Ebene trennt, und ein vierter Abstand die Leiterabschnitte auf der anderen Seite der ersten Ebene trennt, und bei dem wohl der dritte und vierte Abstand ausgewählt sind, um wenigstens einige der Aberrationen zweiter Ordnung der Endabbildung wesentlich zu minimieren, die durch das Spektrometer erzeugt werden.

Jedoch ist es in der Praxis angenehmer, den Abstand der Leiterabschnitte längs der Achse einzustellen, um Aberrationen zweiter Ordnung zu minimieren, so daß die Erfindung ferner ein Massenspektrometer, wie es vorhin definiert wurde, umfaßt, bei dem ein fünfter Abstand die Leiterabschnitte auf einer Seite der gekrümmten Ebene und ein sechster Abstand die Leiterabschnitte auf der anderen Seite der gekrümmten Ebene trennt, und bei dem sowohl der fünfte als auch der sechste Abstand ausgewählt sind, um wenigstens einige der Aberrationen zweiter Ordnung der Endabbildung wesentlich zu minimieren, die durch das Spektrometer erzeugt werden.

Vorzugsweise ist der Abstand der Leiterabschnitte so einstellbar, daß die Auflösung durch Einstellen der Abstände optimiert werden kann, während das Spektrometer in Betrieb ist. Vorzugsweise sind alle Leiterabschnitte in Spulen ausgebildet, in der vorher beschriebenen Art und Weise, und ferner sind vorzugsweise elektrostatische Linsen auf jeder Seite des Magnetsektors vorgesehen, um die Bild- und Objektabstände des Magnetsektors einzustellen.

In der Praxis ist es notwendig, die Abmessungen der Leiterabschnitte oder der Spulen auszuwählen, um ungefähr das korrekt geformte Feld zu ergeben und dann entweder den y- oder den z- Abstand oder möglicherweise beide einstellbar anzuordnen, so daß ein genau fokussiertes Abbild durch eine experimentelle bzw. empirische Einstellung erzeugt werden kann. Die Querschnittsfläche der Leiterabschnitte der Spulen wird gewöhnlich durch praktische Überlegungen bestimmt, wie z. B. die, welche Minimumfläche notwendig ist, daß ein maximaler Strom ohne übermäßige Leistungsverluste durch den Magnet verlaufen kann. Ferner erhöht die Zunahme der Anzahl von Windungen jenseits eines bestimmten Punktes den Leistungsverbrauch in der Spule, ohne signifikant zum Feld beizutragen, weil die äußeren Wicklungen notwendigerweise weiter weg von der Ionentrajektorie sind und wenig zu dem effektiven Feld beitragen. Ferner ist in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Spulen oberhalb und unterhalb der x-y-Ebene vorgesehen sind, der minimale z-Abstand klar durch die Vakuumeinhüllung der Meß- bzw. Flugröhre bestimmt. Im allgemeinen ist es praktischer, Einrichtungen zum Einstellen des z-Abstandes der Spulen vorzusehen, als zu versuchen, den y-Abstand einzustellen, der durch Wickeln der Spulen fixiert ist. Folglich wird vorzugsweise der y-Abstand im Planungs- bzw. Herstellungsstadium für einen gegebenen z-Abstand etwas größer als der minimal durch die Flugröhre erlaubte Abstand bestimmt, so daß das berechnete Feld näherungsweise korrekt geformt ist, und Einrichtungen dann vorgesehen sind, um den z-Abstand auf eine optimale Leistung einzustellen. Die Form des Feldes längs der y-Achse kann in der folgenden Art und Weise berechnet werden, wenn die Leiterabschnitte oder Spulen als ein Aufbau aus einzelnen kleinen Elementen angesehen werden. Das sich ergebende Feld aus all den Leiterabschnitten ist dann die Summe der Anteile aller einzelnen kleinen Elemente. Der Wert der Feldstärke an Punkten längs der y-Achse kann daher durch Berechnen des durch einen Draht mit begrenzter Länge und Querschnitt δy · δz verursachten Feldes, jeweils um einen Abstand von y und z längs der y- und z-Achse von dem gewünschten Punkt entfernt, berechnet werden, und durch Integrieren bezüglich zu y und z zwischen den Grenzen y&sub1;, y&sub2;, z&sub1; und z&sub2;, die die Grenzen der tatsächlichen Leiterabschnitte definieren. Die so erhaltenen Felder von jedem Leiterabschnitt werden dann addiert, um die sich ergebende Gesamtfeldstärke zu erhalten. Dieses Verfahren, obwohl es ziemlich lang ist, sollte einem Fachmann keine Schwierigkeiten bereiten. Auf diese Art und Weise ist es möglich, das Profil des Feldes längs der y-Achse zu berechnen, und es ist offensichtlich, daß das Feld von den Stellen aller Leiterabschnitte längs zur y- und z-Achse und auch von den physikalischen Abmessungen und der Form eines jeden Leiterabschnittes abhängt.

Es wird auch festgestellt, daß, wenn der Magnetsektor in ein doppeltfokussierendes Massenspektrometer eingebaut ist, die Einstellung der Leiterabstände längs der z-Achse verwendet werden kann, um die Auflösung der enddoppeltfokussierenden Abbildung zu maximieren, selbst wenn der Magnetsektor nicht der letzte Sektor ist. Auf diese Art und Weise können auch Aberrationen zweiter Ordnung des elektrostatischen Sektoranalysators oder der elektrostatischen Sektoranalysatoren zumindest teilweise kompensiert werden.

Vorausgesetzt, daß die Leiter auf jeder Seite der Ionentrajektorie im gleichen Abstand längs der z-Achse gehalten werden, beeinflußt diese Korrektur zweiter Ordnung nicht die Stelle der Abbildung erster Ordnung, die durch den Sektor erzeugt wird. Dies ist eine sehr nützliche Eigenschaft, die das Einstellverfahren wesentlich vereinfacht. Jedoch liegt es auch innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie es vorher erklärt wurde, eine Inhomogenität erster Ordnung in das Feld längs der y-Achse so einzuführen, daß die Position der Abbildung verändert werden kann, um die Optimierung der Funktion zu unterstützen. Unglücklicherweise muß, wenn dieses Merkmal angewandt wird, es durch die Verwendung von unterschiedlichen Abständen der Leiterabschnitte auf jeder Seite der z-Achse eingeführt werden, wie es erklärt worden ist. Folglich ist, wenn ein Versuch gemacht wird, die z-Abstände der Leiter einzustellen, um sowohl die Brennweite einzustellen als auch den Aberrationsterm B&sub1;&sub1; zu korrigieren, die Optimierungseinstellung von B&sub1;&sub1; nicht länger unabhängig von der Fokussierungseinstellung erster Ordnung, und die Einstellung des Magneten für eine optimale Funktion wird schwieriger. Obwohl es folglich innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegt, sowohl die Brennweite als auch den Aberrationsterm B&sub1;&sub1; in dieser Art und Weise einzustellen, ist es vorzuziehen, den z-Achsenabstand zu verwenden, um nur den Aberrationsterm B&sub1;&sub1; zu kompensieren und getrennte elektrostatische Linsen einzubauen, die auf jeder Seite des Magnetsektors angeordnet sind. Die Verwendung und der Aufbau solcher Linsen sind herkömmlich, und viele geeignete Typen sind in der Literatur beschrieben.

Es ist auch interessant festzustellen, daß die Korrekturen der Abweichung zweiter Ordnung durch Einstellen des z-Achsenabstandes der Spulen im Falle eines Magneten mit Eisenkern nicht möglich ist.

Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung ein Massenspektrometer vor, wie es vorher definiert worden ist, wobei auf einer Seite der ersten Ebene ein siebter Abstand erste Leiterabschnitte, die auf jeder Seite der gekrümmten Ebene angeordnet sind, trennt, und ein achter Abstand einen der ersten Leiterabschnitte von der gekrümmten Ebene trennt und auf der anderen Seite der ersten Ebene ein neunter Abstand zweite Leiterabschnitte trennt, die auf jeder Seite der gekrümmten Ebene angeordnet sind, und ein zehnter Abstand einen der zweiten Leiterabschnitte von der gekrümmten Ebene trennt, wobei der achte und/oder zehnte Abstand ausgewählt werden, wie z. B. durch Verwendung von Einstelleinrichtungen, um den Winkel zwischen der ersten Ebene und einer zweiten Ebene gleich weit entfernt von all den Leiterabschnitten und auf einer Seite der ersten Leiterabschnitte angeordnet, auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Durch diese Auswahl eines der acht oder zehn Abstände, während der siebte, neunte und die anderen der acht oder zehn Abstände konstant gehalten werden, kann die Ebene der Ionenbewegung (die erste oder x-y-Ebene) ausgebildet werden, so daß sie mit der zweiten Ebene zusammenfällt (d. h., der Winkel zwischen der ersten oder zweiten Ebene kann auf Null vermindert werden), so daß irgendeine Ungenauigkeit im Aufbau der Leiterabschnitte oder Spulen, die andererseits dazu führen würde, daß die ersten und zweiten Ebenen nicht übereinstimmen, kompensiert werden kann. Folglich hat sich bei der bevorzugten Form, die zwei Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der x-y-Ebene verwenden kann, herausgestellt, daß eine Verschiebung einer Spule relativ zu der anderen längs der y-Achse eine Bewegung des Abbilds längs der z-Achse verursacht. Obwohl folglich die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erfordert, daß die Leiterabschnitte symmetrisch um die y-Achse ober- und unterhalb der x-y-Ebene angeordnet sind, können in der Praxis Ungenauigkeiten in der Stellung oder der Querschnittsfläche der Leiter ergeben, daß die Bewegungsebene der Ionen schräg gestellt wird, und dies kann durch Einstellen der Verschiebung der Leiter längs der y-Achse kompensiert werden, wie es beschrieben ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun genauer nur beispielhaft und mit Bezug zu den folgenden Figuren beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Massenspektrometers ist, das eine einfache Version der Erfindung verwendet;

Fig. 2 ein Querschnitt längs einer der Ebenen AA, BB oder CC in Fig. 1 ist, aus der Sicht längs einer Richtung mit rechten Winkeln zu der Ebene;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist, bei der Spulen verwendet werden, um das magnetische Feld zu erzeugen;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht längs der Ebene DD aus Fig. 3 aus der Sicht im rechten Winkel dazu ist;

Fig. 5 eine Zeichnung eines zweiteiligen Formers, der zum Wickeln der Spulen verwendet wird, ist, die für die Verwendung in der Erfindung geeignet sind;

Fig. 6 ein Ausdruck des Feldes längs der y-Achse für unterschiedliche Werte des Leiterabstandes längs der y- Achse oder z-Achse ist; und

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer praktischen Version eines für die Verwendung in der Erfindung geeigneten Magneten ist.

Bezugnehmend zu Fig. 1 erzeugt eine Ionenquelle 1 einen Ionenstrahl, der längs einer im wesentlichen kreisförmigen Trajektorie 4 zu einem Ionendetektor 7 durch die Wirkung des magnetischen Feldes verläuft, das durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der durch die Leiterabschnitte 2 und 3 verläuft. Diese Leiterabschnitte sind gemäß der grundlegenden Form der Erfindung angeordnet, so daß der Abstand zwischen jedem Leiter und der Ionentrajektorie 4 konstant ist, und die Trajektorie 4 und die Leiter 2 und 3 im wesentlichen kreisförmige Bögen sind, so daß eine Abbildung einer Ionenquelle 1 am Ionendetektor 7 abgebildet ist. In der Praxis werden enge Schlitze bei 1 und 7 angeordnet, wie bei einem herkömmlichen Magnetsektoranalysator mit Eisenkern. Das Magnetfeld wird erzeugt durch Durchleiten von Strom durch die Leiter 2 und 3 in der dargestellten Richtung von einem geeigneten Netzteil (das schematisch in Fig. 1 durch die Batterien 5 und 6 gezeigt ist). Die Polaritäten sind natürlich umgekehrt, wenn der Ionenstrahl aus negativen Ionen besteht. Die Leiterabschnitte sollten einen geringen Widerstand haben, um den Spannungsabfall darüber zu vermindern und den Leistungsverlust in ihnen zu verringern. In der einfachsten Form der Erfindung sind die Leiterabschnitte 2 und 3 angeordnet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Dieser Querschnitt ist derselbe längs der Ebenen AA, BB oder CC aus Fig. 1 in Übereinstimmung mit der grundlegenden Anforderung der Erfindung. Ein magnetisches Feld, das durch die Kraftlinien 8 dargestellt ist, wird zwischen den Leitern so erzeugt, daß S- und N-Pole ausgebildet sind, wie es gezeigt ist.

Wie es vorher erklärt wurde, sind die Leiterabschnitte 2 und 3 vorzugsweise in Spulen 11 ober- und unterhalb der x-y-Ebene ausgebildet, wie es in Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Zwei solcher Spulen 11 sind vorgesehen, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Folglich sind vier wirksame Leiterabschnitte 7, 8, 9 und 10 vorgesehen, wobei jeder eine Anzahl von Leitern (die Wicklungen der Spule) umfaßt. Vorzugsweise sind die Spulen mit einem Kupferband mit einem rechteckigen Querschnitt umwickelt, das mit seinem längsten Rand in rechten Winkeln zu der x-y-Ebene angeordnet ist. Typischerweise wird ein Band in einer Stärke von 0,5 mm verwendet, und die Wicklungen sind voneinander durch eine dünne Lage aus einem geeigneten isolierenden Film isoliert, wie z. B. ein solcher, der bei der Herstellung von Transformatoren verwendet wird. Der Abstand der Spulen längs der z-Richtung sollte vorzugsweise einstellbar sein (ein geeignetes Verfahren ist unten beschrieben), und die Abmessungen der Spulen werden in Übereinstimmung mit den vorher beschriebenen Regeln ausgewählt.

Klarerweise ist die Herstellung von Spulen 11 nicht unkompliziert, weil es unmöglich ist, sie auf einem Former mit der geforderten Form zu wickeln. Beispielsweise können sie auf einem zweiteiligen Former 12, 13 gewickelt werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Nach dem Wickeln wird der Teil 13 des Formers entfernt, und eine Kraft wird an den Punkt D auf die Spule 11 angelegt, die dann die korrekte Form in unmittelbarer Berührung mit Teil 12 des Formers aufnimmt. Die Form des Formers ist so gewählt, daß die Länge der Kurve AEBEC, der eine Wicklung der fertigen Spule folgt, gleich der Länge der Kurve ADC ist, der diese Wicklung während des Wickelns folgt, für jede Wicklung der Spule.

Man sieht, daß wenn die Leiterabschnitte in Spulen geformt sind, ein Teil jeder Spule die Ionentrajektorie 4 kreuzen muß. Bei der bevorzugten Form der Erfindung ist der Winkel, mit der die Ionentrajektorie 4 den Abschnitt der Spulen schneidet, der die Trajektorie kreuzt (Punkte 14 und 15 in Fig. 3) gleich 90º. In diesem Fall ist die Wirkung dieser Teile der Spule hauptsächlich die, die Wirkung des y- und z-Abstandes der Spulen für die Homogenität des Feldes längs der y-Achse zu verstärken, wie es genau unten beschrieben ist, weil die Spulen immer noch symmetrisch um die x-Achse in jeder y-z-Ebene sind. Die Größe des Streufeldes längs der x-Achse ist auch vergrößert, aber die Möglichkeit dafür kann durch Berechnen des effektiven Sektorwinkeis des Magneten mittels des Feldintegrals geschaffen werden, wie es erklärt wurde. Folglich ruft die Anwesenheit dieser Teile der Spulen keinen signifikanten Unterschied im Fokussierverhalten des Magneten im Vergleich zu der einfachen Ausführungsform aus Fig. 1 und 2 hervor, und die größere Feldstärke für einen gegebenen Strom, der durch die Verwendung einer Spule erreicht wird, vermindert den geforderten Strom für einen geeigneten Massenbereich auf einen einfacher zu handhabenden Wert. Jedoch ist es für den Eingangs- und Ausgangswinkel nicht notwendig, daß er 90º zum Feld beträgt, und bei einem Magneten von der beschriebenen Art hat eine Änderung dieses Winkels eine ähnliche Wirkung wie das Ändern der Polflächenneigung in einem Magnetsektoranalysator mit einem Eisenkern. Es ist gut bekannt, daß eine z-Fokussierung um einen bestimmten Grad bzw. einen bestimmten Betrag in dieser Art und Weise so eingeführt werden kann, daß im Fall des Magneten der Erfindung die Einstellung des Eingangs- und Ausgangswinkels auch ausgeführt werden kann, um eine z-Fokussierung der Abbildung zu verursachen, wenn nicht sogar dazu, den Magneten stigmatisch zu machen (d. h., geeignet für eine Fokussierung sowohl in der y- als auch in der z-Richtung). Bei vielen Anwendungen rechtfertigt die Verbesserung, die durch die Verwendung dieser Wirkung erhalten wird, jedoch nicht den zusätzlichen Komplikationen bei der Entwicklung bzw. Herstellung und den zunehmenden Schwierigkeiten bei der Herstellung der Spulen.

Wie vorstehend erklärt) ist es notwendig, den Abstand der Leiter sowohl längs der y- als auch längs der z-Achse auszubilden, um die Aberrationen in der Endabbildung zu minimieren, die durch den Sektor erzeugt werden (oder, falls der Sektoranalysator einen Teil eines doppeltfokussierenden Massenspektrometer bildet, die Endabbildungen, die durch das Spektrometer erzeugt werden). Fig. 6 zeigt eine Reihe von Kurven 32 bis 36, wobei jede davon die berechnete Änderung des magnetischen Feldes längs der y-Achse für einen bestimmten Abstand der Leiter längs der y-Achse oder einen Abstand längs der z-Achse darstellt. Wie vorher erklärt worden ist, ist die Wirkung des Veränderns beider Parameter im Prinzip identisch und unterscheidet sich nur in der Skalierung bzw. im Betrag. Berücksichtigt man zuerst den Fall der Änderung, die sich aus einem unterschiedlichen Abstand der Leiter längs der y-Achse ergibt, ist die Kurve 32 typisch für die Änderung, die durch den größten Abstand erhalten wird, die Kurve 36 typisch für den engsten Abstand, und die Kurven 33 bis 35 stellen dazwischenliegende Fälle dar. Der Bereich des Ausdrucks auf jeder Seite der y-Achse beträgt ungefähr 50% des Abstandes von der Ionentrajektorie zur Mitte des Leiters, und der Bereich des ausgedruckten magnetischen Feldes beträgt ungefähr 5% des magnetischen Feldes längs der y-Achse im Fall der Kurve 36. Die Kurven 35 bis 32 stellen gleiche Zunahmen im Abstand zwischen den Mitten der Leiter dar, wobei jede ungefähr 5% des Wertes des Abstandes im Fall der Kurve 36 beträgt.

In dem dargestellten Fall sind die Kurven mit Leiterabschnitten in einer Breite längs der y-Achse ungefähr gleich dem Abstand zwischen ihnen berechnet worden, und mit einer Höhe (längs der z-Achse) von etwa der doppelten Breite. Man kann sehen, daß die Kurve 36 die nächste Näherung zu einem homogenen Feld längs der y-Achse bei dem bestimmten z-Abstand darstellt, an dem die Kurven berechnet werden. Es wird auch festgestellt, daß es wünschenswert ist, absichtlich einen gewissen Betrag einer Inhomogenität zweiter Ordnung einzuführen (d. h., ein Feld proportional zu y²), und es ist klar aus Fig. 6, daß alle Kurven eine Änderung zweiter Ordnung im Bereich nahe bei y=0 zeigen, und daß die Proportionalitätskonstante im Fall jeder Kurve anders ist. Abweichungen zweiter Ordnung aufgrund des Terms B&sub1;&sub1;α² in Gleichung [1] können daher durch Einstellen des Abstandes zwischen den Leitern längs der y-Achse korrigiert werden, während ein gleicher Abstand um y=0 beibehalten wird. Die Änderung in der absoluten Feldstärke kann natürlich durch Einstellen des Stromes durch die Spulen kompensiert werden.

Ein genau gleicher Satz von Kurven kann für den Fall des Änderns des z-Abstandes der Spulen berechnet werden, während der Abstand zwischen den Leitern längs zur y-Achse auf einem konstanten Wert gehalten wird. In diesem Fall stellen die Kurven 35 bis 32 eine Zunahme von etwa 6% bezüglich des Abstandes dar, der für die Kurve 36 verwendet wurde. Die Spulen haben denselben Querschnitt, wie diejenigen, die in den vorhergehenden Berechnungen verwendet wurden, und sind symmetrisch von der x-y-Ebene beabstandet. Folglich kann man sehen, daß die Korrektur der Aberrationen zweiter Ordnung durch Einstellen entweder des y- oder z-Abstandes der Leiter erreicht werden kann. In der Praxis wird der y-Abstand, wenn Spulen verwendet werden, während der Herstellung der Spulen fixiert, so daß das beste Verfahren zur Entwicklung bzw. Herstellung ist, einen optimalen y-Abstand an einem z-Abstand etwas größer als dem Minimum auszuwählen, das durch die Meßröhre des Spektrometers möglich ist, und eine Einrichtung zum Einstellen des z-Abstandes vorzusehen, um die Auflösung des Massenspektrometers zu optimieren. Einrichtungen zum Schrägstellen der Leiter, um die Fokussierung erster Ordnung zu optimieren, können auch eingebaut werden.

Es wird festgestellt, daß alle Komponenten des Spektrometers außer des Magnetsektoranalysators, z. B. die Ionenquelle und der Detektor, Vakuumsystem und elektrostatische Analysatoren (in dem Fall von doppeltfokussierenden Massenspektrometern) herkömmlich ausgebildet sind und nicht genau beschrieben werden müssen. Es wird auch festgestellt, daß, weil die Feldstärke, die mit dem Magneten aus Fig. 7 erreicht werden kann, beträchtlich geringer ist als ein typischer Wert für einen Magnet mit Eisenkern, der Magnetsektorradius des Spektrometers beträchtlich größer sein muß als der eines herkömmlichen Spektrometers, wenn ein brauchbarer Massenbereich erreicht werden soll. Jedoch sind besondere Geometrien entwickelt worden, die die Herstellung von physikalisch kleinen Instrumenten mit einem großen Radius erlauben (z. B., wie es in der parallel anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist).

Fig. 7 zeigt eine praktische Ausführungsform eines Elektromagneten, wie er gemäß der Erfindung aufgebaut ist, und ist eine Querschnittsansicht längs der Ebene DD aus Fig. 3. Die Leiterabschnitte 7, 8, 9 und 10 sind mit zwei geformten Spulen 11 ausgebildet, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Jede Spule besteht aus einer Anzahl von Wicklungen eines Kupferbandes, ungefähr 30 mm · 0,5 mm, das in einer Spule mit einer einzigen Lage gewickelt ist, mit einem dünnen Bogen eines geeigneten isolierenden Films (nicht dargestellt) zwischen den Wicklungen. Geeignete Materialien umfassen einen Polyimidfilm von der Art, wie er in einem Transformatoraufbau verwendet wird, aber andere Arten sind genauso geeignet. Jede Spule wird auf nicht-ferromagnetischen Formern 16, 19 (Fig. 7) gewickelt, die an Kühlplatten 17, 18 angebracht sind. Die Former werden aus einem nicht-ferromagnetischen Material hergestellt. Jede Spule wird dann in ein geeignetes Epoxyharz gegossen ("potted"), so daß eine dünne Lage 30 aus Harz eine Isolierung zwischen den Rändern der Wicklungen und den Platten 17, 18 und den Formern 16 und 19 vorsieht. Die Former 16 und 19 sind auch an die Platten 17, 18 mittels Pfeiler bzw. Bolzen 31 befestigt.

Jede Platte 17, 18 hat eine lange durchgehende Nut, die in ihre Oberfläche geschnitten ist, wobei ein Kühlrohr 27 vor dem Auffüllen der Nut mit Lötmetall eingeführt wird. Der Weg der Nut 27 kann einen geeigneten Verlauf nehmen, so daß ein Kühlmittel durch den Einlaß 28 in das Rohr 27 wirksam die Platten 17,18 kühlt, insbesondere in der Umgebung der Spulenwicklungen. Kühlmittel wird dann durch ein Auslaßrohr (nicht dargestellt) abgeführt. Guter thermischer Kontakt zwischen den Spulenwicklungen und den Platten 17 und 18 ist notwendig, und die Isolationslage 30 sollte so dünn wie möglich sein. Das verwendete Epoxyharz sollte auch eine gute thermische Leitfähigkeit haben. Vorzugsweise sollte auch ein Schlitz quer um wenigstens die halbe Breite einer jeden Platte 17 und 18 geschnitten werden, um zu verhindern, daß die Platte wie ein Kurzschluß wirkt und die Wirbelstromverluste erhöht. Die Former 16, 19 sollten ähnlich behandelt werden, als ob sie aus Metall wären.

Der untere Spulenaufbau (der auf die Platte 18 montiert ist) wird von der mechanischen Bank 21 mittels vier einstellbaren Füßen 22 und Ständer 23 so gehalten, daß seine Höhe genau relativ zur Vakuumeinhüllung 20 eingestellt werden kann, die vorzugsweise eine Röhre mit kreisförmigem Querschnitt ist. Offensichtlich muß die Röhre 20 in den Bereichen abgeflacht sein, wo die Enden der Spulen über und unter ihr verlaufen.

Die Platte 17 und der obere Spulenaufbau werden durch vier in der Länge einstellbare Ständer 25 gehalten, die jeweils an den Platten durch vier Muttern 24 befestigt sind. Die Ständer 25 umfassen zwei mit Gewinde versehene Stangen mit entgegengesetzt gerichteten Gewinden, die mit einer Verbindungsmutter 29 verbunden sind, so daß die Drehung der Mutter 29 die Länge des Bolzens verändert. Einstellmittel 29 werden verwendet, um den z-Abstand und die Schräge einzustellen, während das Spektrometer in Betrieb ist, wie es vorher erklärt wurde. Die Ständer 25 verlaufen durch geschnittene Löcher 26, die eine y-Verschiebung der zwei Aufbauten und eine Korrektur der Konstruktionsabweichungen ermöglichen. Der y-Abstand der Leiter 7 und 9 und 8 und 10 wird natürlich durch Wickeln der Spulen bestimmt.

Es ist natürlich wichtig, daß alle Teile des Magneten und des Massenspektrometertisches 21 und der Meßröhre 20 in der Umgebung des Magneten aus nicht-ferromagnetischem Material ausgebildet sind. Beachtung muß auch der Minimierung von Wirbelstromverlusten in Leiterteilen geschenkt werden, indem sichergestellt wird, daß zirkulierende elektrische Ströme nicht in Teile fließen können, die vom magnetischen Fluß durchdrungen werden. Falls dies nicht gemacht wird, werden viele der Vorteile des Gebrauchs eines Magneten mit einem nicht-ferromagnetischen Kern egalisiert.

Die Stromzuführung, die verwendet wird, um den Magneten zu betreiben, muß geeignet sein, einen Strom zu erzeugen, der hoch genug ist, um das geforderte Feld zu ergeben (der typischerweise einige 100 Ampere betragen kann) und muß geeignet sein, den Strom mit einer hohen Genauigkeit zu regeln und ihn sehr schnell zu ändern. Abwandlungen von geeigneten Ausgestaltungen sind im Stand der Technik bekannt.

Die Ausführungsform aus Fig. 7 ist nur als Ausführungsbeispiel beabsichtigt.

Folglich kann man sehen, daß die Erfindung ein magnetisches Sektorspektrometer vorsieht mit einem Magneten mit einem nicht-ferromagnetischen Kern, der geeignet ist, ein scharf fokussiertes Abbild zu erzeugen, in dem wenigstens einige der Aberrationen zweiter Ordnung eliminiert werden. Es sieht auch ein solches Spektrometer vor, das zusätzlich eingebaute Einrichtungen zum Minimieren der Aberrationen zweiter Ordnung im wesentlichen unabhängig von den Fokussierungseigenschaften erster Ordnung hat. Ferner kann man sehen, daß die Erfindung ein doppeltfokussierendes Massenspektrometer vorsieht, das einen Magnetsektoranalysator beinhaltet, der einen Magneten mit einem nicht-ferromagnetischen Kern hat, in dem ein hoch auflösendes Geschwindigkeitsfokussiertes Endabbild erzeugt wird und das eine Einrichtung zum Minimieren der Fokussierungsaberrationen zweiter Ordnung des Magnetsektors enthält.


Anspruch[de]

1. Massenspektrometer mit einem Magnetsektoranalysator, der so angeordnet ist, daß Ionen eines Massen-/Ladungsverhältnisses, die durch den Analysator ausgewählt werden, sich längs einer Trajektorie mit einer im wesentlichen kreisbogenförmigen Achse in einer ersten Ebene bewegen, wobei der Analysator umfaßt wenigstens zwei elektrische Leiterabschnitte von im wesentlichen kreisförmiger Form, die von jeweils größerem und kleinerem Radius als die Kreistrajektorie sind, und auf radialen Gegenseiten einer gekrümmten Ebene liegen, die zu der Kreistrajektorie ausgerichtet und zu der ersten Ebene senkrecht ist, und wobei im wesentlichen der gesamte magnetische Fluß, der durch das Fließen des elektrischen Stroms durch die Leiterabschnitte erzeugt wird, nur durch nicht-ferromagnetische Materialien verläuft.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem die erste Ebene eine Spiegelebene, symmetrisch zu den elektrischen Leiterabschnitten ist und wobei die elektrischen Leiterabschnitte symmetrisch um die gekrümmte Ebene angeordnet sind.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 1, bei dem vier elektrische Leiterabschnitte vorgesehen sind, wobei zwei von diesen Abschnitten auf jeder Seite der ersten Ebene angeordnet sind.

4. Massenspektrometer nach Anspruch 2, bei dem vier Leiterabschnitte vorgesehen sind, wobei zwei von den Leiterabschnitten auf jeder Seite der ersten Ebene angeordnet sind.

5. Massenspektrometer nach Anspruch 3, bei dem ein erster Abstand die Leiterabschnitte auf einer Seite der gekrümmten Ebene und ein zweiter Abstand die Leiterabschnitte auf der anderen Seite der gekrümmten Ebene trennt und bei dem die ersten und zweiten Abstände sich um einen Betrag voneinander unterscheiden, der ausgewählt ist, um die Brennweite des Analysators auf einen gewünschten Wert einzustellen.

6. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 3 und 5, bei dem ein dritter Abstand die Leiterabschnitte auf einer Seite der ersten Ebene und ein vierter Abstand die Leiterabschnitte auf der anderen Seite der ersten Ebene trennt, wobei der dritte und vierte Abstand jeweils so ausgewählt sind, um im wesentlichen einige der Aberrationen zweiter Ordnung des Endbildes, das durch das Massenspektrometer erzeugt wird, zu minimieren.

7. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 3 und 5, bei dem ein fünfter Abstand die Leiterabschnitte auf einer Seite der gekrümmten Ebene und ein sechster Abstand die Leiterabschnitte auf der anderen Seite der gekrümmten Ebene trennt und bei dem sowohl der fünfte als auch der sechste Abstand so ausgewählt sind, um im wesentlichen einige der Aberrationen zweiter Ordnung des Endbildes, das durch das Massenspektrometer erzeugt wird, zu minimieren.

8. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 3, 5, 6 und 7, wobei auf einer Seite der ersten Ebene ein siebter Abstand erste Leiterabschnitte, die auf jeder Seite der gekrümmten Ebene angeordnet sind, und ein achter Abstand einen der ersten Leiterabschnitte von der gekrümmten Ebene trennt, und auf der anderen Seite der ersten Ebene ein neunter Abstand zweite Leiterabschnitte, die auf jeder Seite der gekrümmten Ebene angeordnet sind, und ein zehnter Abstand einen von den zweiten Leiterabschnitten von der ersten gekrümmten Ebene trennt, und wobei der achte und/oder zehnte Abstand ausgewählt sind, um den Winkel zwischen der ersten Ebene und einer zweiten Ebene gleichbeabstandet von all den Leiterabschnitten einzustellen, und auf einer Seite der ersten Leiterabschnitte auf einen gewünschten Wert angeordnet sind.

9. Massenspektrometer nach irgendeinem der vorhergegangenen Ansprüche, bei dem Leiterabschnitte, die auf jeder Seite der ersten Ebene angeordnet sind, verbunden sind, um gebogene Spulen mit einer einzigen Wicklung jeweils zu bilden, die auf jeder Seite der ersten Ebene angeordnet sind, wobei jede Spule eine gekrümmte Hauptachse im wesentlichen in der gekrümmten Ebene hat.

10. Massenspektrometer nach Anspruch 9, bei dem jeder elektrische Leiterabschnitt einen rechteckigen Querschnitt hat, wobei er mit der längsten Achse des Querschnittes im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist.

11. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die elektrischen Leiterabschnitte jeweils eine Anzahl von elektrischen Leitern umfassen.

12. Massenspektrometer nach Anspruch 11, bei dem die elektrischen Leiter einen rechteckigen Querschnitt haben und mit der längsten Abmessung des Querschnitts im wesentlichen senkrecht zu der ersten Ebene angeordnet sind.







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