Materie & Energie

Massenspektrometrie - Elektronenvervielfacher

Elektronenvervielfacher

Die Entwicklung elektronischer Techniken für das Fernsehen in den 1930er Jahren ergab ein Gerät mit außerordentlicher Empfindlichkeit für die Messung kleiner Elektronenstrahlen, nämlich den Sekundärelektronenvervielfacher. Obwohl ursprünglich für die Verstärkung der winzigen Ströme von einer Fotokathode erfunden, erwies es sich bald als ausgezeichneter Detektor für Ionenstrahlen mit einer Empfindlichkeit, die ausreicht, um die Ankunft einzelner Ionen aufzuzeichnen. Das Grundprinzip des Multiplikators ist, wie der Name schon sagt, eine Multiplikation der Anzahl der aus einer Elektrode austretenden Elektronen mit der Anzahl der auf sie einfallenden Elektronen. Elektroden genanntDynoden sind so angeordnet, dass jede nachfolgende Elektronengeneration von der nächsten Dynode angezogen wird. Wenn zum Beispiel 4 Elektronen an der ersten Dynode freigesetzt werden, treten 16 aus der zweiten und so weiter aus. Gewinne von bis zu einer Million sind leicht zu erreichen; Das Rauschen ist auf die Ströme begrenzt, die von den wenigen Elektronen ausgehen, die aufgrund der thermischen Elektronenemission die erste Dynode verlassen. Multiplikatoren wurden ursprünglich mit diskreten Dynoden konstruiert, eine Form, die immer noch weit verbreitet ist.Kontinuierliche Dynodenmultiplikatoren, die ein halbleitendes Glas verwenden, um die Verteilung des elektrostatischen Potentials bereitzustellen , sind kleiner und arbeiten in den meisten Anwendungen gleich gut. Ein Multiplizierer kann in einem eingesetzt wird analog Modus, in dem der Ausgangsstrom mit einem Elektrometer gemessen wird , als jeder kleiner Strom ist, oder in einer Puls-Zählmodus, in denen einzelne Ionen gezählt werden.

Das Massenspektrum vonOsmium (Os), das unter Verwendung eines Elektronenvervielfacherdetektors erhalten wurde, ist in 7 gezeigt . Es ist eine Rekorderspur des Elektrometerausgangs eines Elektronenvervielfachers, der OsO 3 detektiert - aufgenommen, als das Feld des Analysemagneten stetig vergrößert wurde. Aufgrund ihrer geringen Größe wurden die Peaks ganz links und zwei Peaks ganz rechts mit einer 100-fachen Elektrometerverstärkung aufgezeichnet, die für die anderen Peaks verwendet wurde. Die Änderung der Verstärkung ist durch eine Änderung der Position der Grundlinie gekennzeichnet. Die von links nach rechts beobachteten Osmiumisotope sind 184, 186, 187, 188, 189, 190 und 192. Der Sauerstoff (O) in den Ionen führt zu sehr kleinen Satellitenpeaks, die durch die Isotope 17 O und 18 mit geringer Häufigkeit verursacht werden Ö; die Satellitenspitzen von 192Os sind auf der rechten Seite. Diese Spur ist typisch für Maschinen, die in der Geochronologie verwendet werden und bei denen eher flache Spitzen als eine hohe Auflösung erwünscht sind. Das unregelmäßige Signal der drei schwachen Isotope ergibt sich aus der geringen Rate, mit der diese Ionen nachgewiesen werden.

Daly Detektor

1960 führte NR Daly eine Detektorform mit Eigenschaften ein, die den oben beschriebenen Elektronenvervielfachern überlegen waren. Bei dieser Konstruktion werden die einfallenden Ionen von einer abgerundeten angezogenElektrode mit einigen Zentimetern Abmessung, die bei 10.000 bis 20.000 Volt negativ gehalten wird. Die Ionen treffen auf den „Türknauf“ und setzen für jedes einfallende Ion einige Sekundärelektronen frei. Diese Elektronen werden dann vom hohen negativen Potential auf a beschleunigtSzintillationskristall montiert auf einem Fotovervielfacheram Erdpotential. Die Elektronen erzeugen im Szintillationskristall ein Lichtsignal, das vom Fotovervielfacher verstärkt wird. Die Ausgabe wird dann genauso behandelt wie die Ausgabe eines Elektronenvervielfachers. Der Vorteil dieser komplizierteren Vorrichtung ist eine nahezu vollständige Unabhängigkeit der Signalgröße von der Position des Ionenstrahls in dem definierenden Spalt vor dem Detektor. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für die genaue Messung von Isotopenverhältnissen, da die unveränderliche Instabilität des Analysemagneten und die Ionenquellenspannung dazu führen, dass der Strahl innerhalb der durch den Spalt festgelegten Grenzen driftet und eine ungleichmäßige Reaktion zu Fehlern bei den gemessenen Werten führt Verhältnisse. Elektronenvervielfacher erfordern verschiedene Einstellungen, die nicht immer zufriedenstellend sind, um eine Signalgröße unabhängig von der Strahlposition zu erzeugen.

Mehrere Detektoren

In Fällen, in denen das Verhältnis von zwei oder mehr Isotopen das experimentelle Ziel mit einem Magnetsektoranalysator ist, bietet es Vorteile, die Ströme der Strahlen gleichzeitig in mehreren Detektoren zu messen, anstatt das Magnetfeld zu schalten . Dies ist für Lichtelemente mit weit auseinander liegenden Strahlen am Detektorort relativ einfach und wird in solchen Fällen häufig eingesetzt. Für schwere Elemente erfordert der kleine Abstand schwierigere Techniken, die erst in den 1980er Jahren routinemäßig eingesetzt wurden.