Einführung

Das RTOF (Reflectron Time Of Flight) Spektrometer komplementiert das DFMS dadurch, dass es einen grösseren Massenbereich abdeckt und die Empfindlichkeit des Gesamtinstruments erhöht. Flugzeitmassenspektrometer haben den Vorteil, dass jeweils immer ein ganzes Massenspektrum aufgenommen wird, ohne dass man die Massen durch Schlitze hindurch abtasten muss.

Giotto-Mission

Ein RTOF-Typ Instrument Giotto-PIA) wurde erfolgreich auf der GIOTTO Mission geflogen um Atome und Moleküle, die beim Einschlag von schnellen kometären Staubteilchen von einer Oberfläche herausgeschlagen wurden, zu messen. Das ROSINA RTOF hat zwei ähnliche, aber unabhängige Quellen- und Detektor - Systeme, mit denen gleichzeitig kometäre Ionen und kometäre Neutralteilchen gemessen werden können, wobei das Reflektron von beiden benutzt wird (Fig. 1). Diese Konfiguration garantiert hohe Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger fast vollständiger Redundanz.

Flugzeit-Prinzip

Ein Flugzeit-Massenspektrometer funktioniert so, dass gleichzeitig alle Ionen aus dem Ionisationsbereich heraus extrahiert werden und dann eine gewisse Strecke mit der gleichen Energie zurücklegen. Die Extraktion erfolgt so, dass die Ionen einen 1. Zeitfokus am Anfang der Driftstrecke erhalten. Die zeitliche Ausdehnung des Ionenpakets wird dabei von ungefähr 800 ns am Ausgang des Ionisationsbereichs auf ungefähr 3 ns (Masse = 28 amu) zusammengedrückt. Diese sehr schmalen m/q Ionen Pakete werden dann auf dem Detektor abgebildet durch den isochronen Driftabschnitt. Da verschiedene m/q Pakete mit verschiedenen Geschwindigkeiten driften, kommen sie zu unterschiedlichen Zeiten am Detektor an. Der Zeitunterschied ist dabei von der Driftlänge abhängig. Das Reflektron und der Hard Mirror helfen die Driftlänge zu vergrössern und das Reflektron verbessert gleichzeitig den Isochronismus des Driftabschnittes.

Massenauflösung

Die Massenauflösung ist gegeben durch die Driftzeit und die zeitliche Ausdehnung der Ionenpakete. Im Gegensatz zu anderen Massenspektrometern haben Flugzeitmassenspektrometer keine Grenze beim Massenbereich. In Praxis ist der Massenbereich durch die Elektronik limitiert, z. B. durch die Grösse des Speicherplatzes, der das Signal aufsummiert. ROSINA-RTOF hat eine Massenauflösung bis Dm/m = 4600 und einen Massenbereich bis 300 amu.

ROSINA-RTOF Komponenten

Das RTOF besteht aus vier Hauptkomponenten: die Ionenquellen, die Ionenoptik, das Reflektron und die Detektoren. Zwei verschiedene Kanäle werden in diesem Spektrometer gebraucht: einer, der das Gas ionisiert und dann in der Ionenquelle speichert, der andere, der die jeweils gerade vorbeifliegenden Ionen senkrecht zu ihrer Flugrichtung ins Instrument hinein beschleunigt. Die beiden Quellen sind mechanisch sehr ähnlich, wobei eine für den Gasmodus optimiert ist (Speicherquelle) und der andere für die kometären Ionen (Ortho Quelle). Die Ionen durchqueren die Ionenoptik und kommen in den Driftabschnitt, wo sie an einem elektrischen Feld in den Ionenreflektoren reflektiert werden (Reflektron und Hard Mirror) und wo sie dann auf zwei separaten Detektoren auftreffen. So hat es zwei unabhängige Massenspektrometer in einer einzigen Struktur.

Mit der Ionen-Speicherquelle – einer Quelle, die die kontinuierlich produzierten Ionen speichert bis sie in den Flugzeitabschnitt extrahiert werden - mit hoher Transmission im Driftabschnitt und mit einem empfindlichen Detektor ist es möglich einen sehr grossen Bruchteil (mehr als 60%) aller produzierten Ionen zu registrieren. Diese Tatsache trägt zur überwältigenden Empfindlichkeit von Flugzeitmassenspektrometern bei. Ein anderer Grund, Flugzeitmassenspektrometer für Raumforschung zu benutzen, ist ihre relativ einfache mechanische Konstruktion und die einfache Bedienung. Ihre Leistung hängt vor allem von schneller Elektronik ab und weniger von mechanischen Toleranzen.