Volltext - Fachbereich Physik - Universität Hamburg

Kapitel 2.
Grundlagen der experimentellen Arbeit
Zur effizienten Flugzeitmessung von Ionen wird ein Wiley & McLaren Flugzeitspektrometer
verwendet [30]. Dieses zeichnet sich durch eine Geometrie aus, bei
der sich die Ionisationszone in einem homogenen elektrostatischen Feld E s zwischen
zwei parallelen Scheibenelektroden befindet. Diese Elektroden werden im weiteren
Text als Pusher (Elektrode, die Kationen aus der Ionisationszone abstößt) und Extractor
(Elektrode, die Kationen aus der Ionisationszone anzieht) bezeichnet. Die
Kationen werden nach der Photoionisation in Richtung des Extractors beschleunigt
und gelangen durch eine Öffnung oder ein Netz in ein weiteres homogenes elektrisches
Feld E d bevor sie die feldfreie Driftröhre erreichen, an deren Ende sich ein
MCP-Detektor befindet.
Neben der Größe der Ionenquelle hängt die Massenauflösung auch von der Verteilung
der kinetischen Ionenenergie zum Zeitpunkt der Ionisation ab. Wiley &
McLaren definieren diese Kriterien als Raum- und Energieauflösung:
• Raumauflösung M s : Die Fähigkeit des Spektrometers, Massen trotz der endlichen
Größe der Ionenquelle aufzulösen
• Energieauflösung M j : Die Fähigkeit des Spektrometers, Massen trotz unterschiedlicher
kinetischer Energien zum Zeitpunkt der Ionisation aufzulösen
Ein Wiley & McLaren Ionen-ToF-Spektrometer ermöglicht eine Optimierung
der Massenauflösung durch die Kompensation der unterschiedlichen Energien und
Positionen zum Zeitpunkt der Ionisation. Dabei hängt die Massenauflösung nur von
dem, über die Elektrodenpotentiale eingestellten, Verhältnis Es /E d ab. So gilt formal
für die Raumauflösung bei festen Abständen s, s 0 , d und D (s. Abb. 2.11):
Mit den Substitutionen:
M s ≈ 16k 0 ( s 0/∆s) 2 (2.11)
k 0 = 1 + dE d
s 0 E s
(2.12)
∆s = s max − s min
Die verwendeten Werte müssen dabei die folgende Bedingung für die Länge der
Driftröhre erfüllen:
D = 2s 0 k 3 /2
0
(
1 −
1
k 0 + k 1 /2
0
)
d
s 0
(2.13)
Die Verwendung von zwei elektrischen Feldern lässt sich hier auch anschaulich
begründen. So nehmen Ionen im Feld E s umso mehr kinetische Energie auf, je
weiter entfernt sie vom Detektor entstehen. Schnellere Ionen überholen deshalb
an irgendeinem (virtuellen) Punkt vor oder hinter dem Detektor die langsameren
Ionen, die einen kürzeren Weg zum Detektor haben. Durch das zusätzliche Feld
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