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Massenspektrometer - Die Ionenquelle

Ionenbeschleunigung

Die in der Ionenquelle gebildeten Ionen müssen aus der Quellregion entfernt, auf hohe Geschwindigkeiten gebracht und zu einem Ionenstrahl fokussiert werden, bevor sie durch den Eintrittsspalt in den Massenanalysator gelangen.

Abb.1
Schematische Darstellung der Erzeugung eines fokussierten Ionenstrahls

Die Entfernung aus der Ionisationsregion erfolgt in einem elektrischen Feld zwischen Stoßblende und Extraktionsblende. Die Potenzialdifferenz beträgt ca. 10V. Je nach Wahl der Bedingungen (positive bzw. negative Potenzialdifferenz) werden positive oder negative Ionen herausgeführt.

Die Beschleunigung der Ionen geschieht in einem starken elektrischen Feld zwischen Stoßblende und der Beschleunigungsblende. In diesem elektrischen Feld werden die Ionen auf hohe Geschwindigkeiten gebracht. Die Größe der Beschleunigungsspannung ist abhängig vom Prinzip des Massenanalysators, sie beträgt zum Beispiel bei Magnetfeldgeräten einige kV und bei Quadrupolgeräten etwa 25V. Die Geschwindigkeit der Ionen am Ende der Beschleunigungsstrecke ergibt sich aus der kinetischen Energie. Durch Gleichsetzen von Gleichung und

E k i n = z e U
E k i n = m v 2 2

und Umstellen erhält man für die Geschwindigkeit v der Ionen folgende Gleichung:

v = 2 z e U m z = Ladung des Ions e = Elementarladung (1,602⋅ 10 -19 C) U = Beschleunigungsspannung m = Masse des Ions

Die Geschwindigkeit hängt also von der Ionenladung, von der Masse der Ionen und von der angelegten Beschleunigungsspannung ab. Die kinetische Energie, die die Teilchen im elektrischen Feld erhalten, ist für alle Ionen gleich.

Die Fokussierung, d. h. Bündelung der Ionen, wird durch elektrostatische Felder erreicht. Mit Hilfe von Blenden wird der Ionenstrahl mehr und mehr fokussiert. Dann treffen die Ionen auf den Austrittsspalt, durch den ein enger zentraler und damit homogener Bereich des Ionenstrahls in den Analysator durchgelassen wird. Die Potenziale an den einzelnen Blenden werden so eingestellt, dass die Intensität des Ionenstromes zum Analysator möglichst groß und der Querschnitt des Strahles möglichst symmetrisch ist. Das Blendensystem kann unterschiedlich konstruiert sein. In einfachen Geräten erfolgt die Fokussierung lediglich mit Hilfe einer Lochblende. Andere Geräte enthalten ein System aus mehreren voneinander isolierten Metallplatten, die auf unterschiedlichem Potenzial gehalten werden.

Foto des Blendensystems des Spektrometers Finnigan MAT95

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