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Massenspektrometer Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer,
bei dem zwischen Ionisierungsvolumen, Trennstrecke und Auffängerelektrode ein annähernd
homogenes, konstantes, magnetisches Feld und ein elektrisches Feld, vorzugsweise
in einem Zylinderkondensator einwirken, dessen Symmetrieachse annähernd parallel
zu den magnetischen Feldlinien verläuft, wodurch eine massenabhängige Trennung der
Ionen eintritt, insbesondere zur Lecksuchung.
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Es sind Massenspektrometer bekannt, in denen Ionen durch Elektronenstoß
erzeugt und elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt werden. Hierdurch erfolgt
eine räumliche Trennung der Ionen nach ihren Massen, so daß Ionen einer bestimmten
Masse an einer Auffangelektrode gesammelt und nachgewiesen werden. Insbesondere
sind magnetische Sektorfeldmassenspektrometer bekannt, in denen die Ionen nacheinander
elektrische und magnetische Felder durchlaufen und Zykloidalmassenspektrometer,
in denen die Ionen gleichzeitig einem homogenen elektrischen und homogenen magnetischen
Feld unterworfen werden.
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Die Erfindung hat sich die technische Aufgabe gestellt, eine vereinfachte
räumlich kleine und in sich geschlossene Anordnung der Elektroden eines Massenspektrometers
zu schaffen, durch welche gleichzeitig mehrere Funktionen bei einer Steigerung der
Empfindlichkeit erfüllt werden können, so daß auch ein Bestandteil einer einen sehr
geringen Partialdruck aufweisenden Gasmischung nachgewiesen werden kann. Das Kennzeichnende
der Erfindung wird darin gesehen, daß der Geschwindigkeitsvektor der Ionen an der
Stelle ihres Eintritts in den Zylinderkondensator am Eintrittsspalt etwa auf die
Symmetrieachse des Zylinderkondensators gerichtet ist und daß die Ionen an der inneren
Elektrode durch das Magnetfeld vorbeigelenkt werden und auf eine Ionensammelelektrode
oder den Austrittsspalt auftreffen. Das elektrische Feld wird durch einen Zylinderkondensator
erzeugt.
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Zur Erzeugung der Ionen kann ein Elektronenstrahl so eingeschossen
werden, daß er in der Nähe der äußeren Elektrode in Richtung der Magnetfeldlinien
verläuft. Es ist jedoch auch möglich, eine entfernte lonenquelle zu benutzen, aus
der die Ionen in das Elektrodensystem eingeleitet werden. Hierzu muß in der äußeren
Zylinderelektrode ein Eintrittsspalt vorgesehen werden; damit die Ionen in das Zylinderkondensatorsystem
eintreten können, muß durch eine außen angebrachte Spaltelektrode das Potential
hinreichend stark abgesenkt werden. Die Ionen, die durch diesen Spalt eintreten,
werden dann beim Anlaufen gegen die äußere Zylinderelektrode abgebremst und können
wieder eine neue Periode durchlaufen. Sie verlassen nur dann das Zylinderelektrodensystem,
wenn sie auf den Austrittsspalt auftreffen.
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Ist ihre Energie größer als die der äußeren Kondensatorelektrode,
so können sie nach Ablenkung durch das magnetische Feld an einem vorgegebenen Spalt
in der äußeren Elektrode des Kondensators austreten.
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Werden Ionen in der Nähe der äußeren Elektrode erzeugt oder von einer
entfernten Ionenquelle dorthin gebracht, so bewegen sie sich durch den Einfluß des
elektrischen Feldes zum Zentrum, werden jedoch durch das magnetische Feld von ihrer
Bahn abgelenkt, so daß sie bei geeigneter Dimensionierung der Feldstärken an der
mittleren Elektrode vorbeifliegen können und wieder einen Punkt in der Nähe der
äußeren Elektrode erreichen, wobei ihre Geschwindigkeit wieder auf Null abnimmt.
Dieser Vorgang kann sich beliebig oft wiederholen. Der Ablenkwinkel, den ein Ion
beim Durchlaufen einer solchen Bahn beschreibt, hängt außer von den Eigenschaften
der Felder von der Masse bzw. der spezifischen Masse des Ions ab. Hierdurch läßt
sich die beschriebene Anordnung zur Massentrennung verwenden. Es ist charakteristisch
für diese Anordnung, daß der Ablenkwinkel um so größer ist, je kleiner die
Masse ist. Wenn daher die Bahn einer gewünschten Masse in unmittelbarer Nähe der
mittleren Elektrode vorbeiführt, treffen alle größeren Massen die mittlere Elektrode
und werden somit ausgeschaltet.
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Die Stimseiten des Zylinderkondensators werden zweckmäßigerweise durch
Elektroden abgedeckt, die ein geringfügig positiveres Potential haben als die äußere
Zylinderelektrode, um die Ionen in Richtung der Zylinderachse zu fokussieren.
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In einer anderen geeigneten Ausführungsforin können die Stimseiten
des Zylinderkondensators durch
Schutzzylinder abgeschlossen werden.
Die Schutzzylinder bekommen von außen das ihrem Radius entsprechende Potential.
Zur Fokussierung der Ionen werden diesen Schutzzylindem zusätzlich kleine Potentialdifferenzen
aufgezwungen. Weiterhin wird vorgeschlagen, die beim Auftreffen auf die Mittelelektrode
gebildeten -Sekundärelektroden durch ein schwaches elektrisches zusätzliches Feld
in Richtung der Zylinderachse- zu entfernen, das durch Anlegen kleiner Zusatzspannungen
an. diejenigen sich gegenüberliegenden Schutzringe, welche der Mittelelektrode benachbart
sind, erzeugt wird.
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Bei dieser Ausführungsform empfiehlt es sich, lediglich im Fall einer
langgestreckten Ausbildung der Elektroden des Zylinderkondensators zusätzlich auch
die Stimseiten durch Elektroden abzudecken.
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Die beschriebene Anordnung läßt sich in der Weise als Massenspektrometer
verwenden, daß die Ionen der gewünschten Masse um einen bestimmten Winkel abgelenkt
werden und so einen Spalt in der äußeren Elektrode treffen, der an einer bestimmten
Stelle des Umfanges angeordnet ist. Durch eine Auffangelektrode, die hinter diesem
Spalt angeordnet ist und eine negative Ziehspannung hat, werden die gewünschten
Ionen herausgezogen und mit Hilfe eines Gleichstromverstärkers nachgewiesen. Die
beschriebene Anordnung eignet sich auch zum gleichzeitigen Nachweis mehrerer unterschiedlicher
Massen, indem an mehreren entsprechenden Stellen des Umfanges entsprechende Spalte
und Auffangelektroden angeordnet sind. Das Massenspektrometer kann so betrieben
werden, aßdienachzuweisendenIonennureineSchwingung von _ihrem Ursprung in der Nähe
der äußeren Elektrode bis zum Wiedererreichen der Außenelektrode machen oder daß
mehrere Perioden durchlaufen werden, ehe sie durch den Spalt auf die Auffangelektrode
gelangen.
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Um zu verhindern, daß unerwünschte Ionen durch den Spalt auf den Auffänger
gelangen, werden geeignete Blenden angeordnet. Diese fangen alle Ionen auf, die
mehr als eine bestimmte Zahl von Schwingungen ausführen. In einer vorteilhaften
Ausführung können auch die obenerwähnten Schutzzylinder durchgehend ausgebildet
und zum Durchlaß der Ionen lediglich mit Schlitzen (vgl. F i g. 3) versehen
sein und so als Blenden wirken.
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Eine weitere Möglichk:#it, das beschriebene Massenspektrometer zu
betreiben, besteht darin, die Ionen innerhalb des Zylinderkondensators anzusammeln,
wo sie Schwingungen mit einer für die Masse bzw. die spezifische Masse charakteristischen
Frequenz ausführen. Die am Rande durch Elektronenstoß entstehenden oder dorthin
von einer entfernten Ionenquelle transportierten Ionen sammeln sich auf diese Weise
an, bis sie durch sekundäre Störeinflüsse, wie z. B. die durch sie selbst erzeugte
Raumladung oder durch Zusammenstöße mit neutralen Gasmolekülen, aus ihrer Bahn abgelenkt
werden.
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Bei dieser Betriebsweise ist es besonders wichtig, daß möglichst nur
Ionen der gewünschten lonensorte Schwingungen ausführen, weil die Raumladung nicht
gewünschter Ionen sonst die Ansammlung der gewünschten Ionen verhindern würde.
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Die vorgeschlagene Anordnung eignet sich besonders gut zum Nachweis
leichter Ionen, wie z. B. Wasserstoff oder Helium, da die Feldstärken so dimensioniert-
werden können, daß alle schwereren Ionen auf die mittlere Elektrode treffen und
auf diese Weise neutralisiert werden. Diese Eigenschaft macht das bezeichnete Massenspektrometer
auch als Lecksuchgerät geeignet.
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Der Nachweis der schwingenden Ionen erfolgt durch die zwischen den
Elektroden des Zylinderkondensators erzeugte Influenzspannung, die über einen Hochfrequenzverstärker
angezeigt wird. Zur Durchführung dieser Betriebsweise mit Ansammlung der Ionen ist
es erforderlich, die Schwingung der einzelnen Ionen gleichphasig zu gestalten. Es
ist bekannt, daß eine Phasenfokussierung selbsttätig auftritt, wenn der Potentialverlauf,
in dem das Ion sich befindet, mit geringerer Steigung verläuft als bei einer Parabel.
Diese Voraussetzung ist bei dem benutzten zylindersymmetrischen Feld erfüllt, so
daß eine Phasenfokussierung auftritt. Bei schwachen Ionenkonzentrationen ist aber
unter Umständen eine zusätzliche Modulation der Ionenerzeugung oder die Anwendung
einer Hochfrequenzspannung an geeigneten Elektroden notwendig.
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Die Modulation der Ionenerzeugung hat den Nachteil, daß hierdurch
auch die schwereren Ionen, die auf die mittlere Elektrode gelangen, moduliert werden
und dort ein. Signal erzeugen. Deshalb wird in diesem Fall eine geteilte Mittelelektrode
bzw. eine abgeschirmte Mittelelektrode benutzt. Hierbei wird der Strom, der auf
den Teil der Mittelelektrode Meßt, der der Erzeugungsstelle zugewandt ist, zum Messen
des Totaldruckes verwendet, dagegen der abgewandte Teil zum Messen des Partialdruckes.
Benutzt man zur Erzeugung der Ionen einen Elektronenstrahl, der in der Nähe der
äußeren Elektrode in Richtung der Magnetfeldlinien parallel zur Symmetrieachse verläuft,
so erzeugt eine Modulation dieses Elektronenstrahles ein Störsignal, das auch durch
die genannte Maßnahme der geteilten oder abgeschirmten Mittelelektrode verringert
wird. Zur weiteren Verringerung des influenzierten Störsignals durch den Elektronenstrom
wird eine Zusatzelektrode vorgeschlagen, die mit einer phasenverschobenen Hochfrequenzspannung
gespeist wird, um den Einfluß des modulierten Elektronenstromes zu kompensieren.
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Um bei unmodulierter Ionenzufuhr eine Phasenfokussierung einzuleiten,
wird vorgeschlagen, zwei Elektroden am Umfang der äußeren Elektrode zu benutzen,
die gegenphasig mit Hochfrequenz gespeist werden, damit sie nur einen geringen Störeinfluß
auf die Mittelelektrode ausüben, die jedoch so angeordnet sind, daß sie eine Phasenfokussierung
hervorrufen. Des weiteren wird vorgeschlagen, das Elektrodensystem, bestehend aus
mittlerer und äußerer Zylinderelektrode, durch eine Rückkopplungsschaltung weitgehend
zu entdämpfen und hierdurch eine Phasenfokussierung einzuleiten. Eine solche Anordnung
kann dann auch gleichzeitig als empfindliches Nachweisgerät dienen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Elektrodenanordnung
(einen Zylinderkondensator) eines Massenspektrometers, F i g. 2 einen Querschnitt
durch den Zylinderkondensator, F i g. 3 eine Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen
Zylinderkondensators mit durchgehenden Schutzzylindern.
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Man erkennt in F i g. 1 einen zylinderförmigen Kondensator
1, welcher aus einer äußeren Elektrode
3, einer inneren
Elektrode 4 und je einer Stimplatte 2 und 22 besteht. Oberhalb oder unterhalb
der Stirnplatte 2 kann beispielsweise eine nicht gezeigte Elektronenquelle angeordnet
sein, welche einen Elektronenstrahl parallel zu den Feldlinien 7 des Magnetfeldes
und der Symmetrieachse 81 des elektrischen Feldes, dessen Feldlinien
8 auf denen das magnetischen Feldes senkrecht stehen, nahe der äußeren Elektrode
3 einschießt. Zwischen der äußeren Elektrode 3 und der inneren Elektrode
4 sind zwischen diese hineinragende ringförmige Schutzzylinder 5
und
6 und diesen mit Abstand gegenüberliegend weitere zwei Schutzzylinder
51 und 61 so angeordnet, daß Schutzzylinder und Kondensatorelektrode
eine gemeinsame Achse haben. Die Schutzzylinder werden durch nicht gezeigte Isolierstege
gehalten.
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In F i g. 2 erkennt man die äußere Elektrode 3 und die
innere Elektrode 4, welche aus zwei Teilen 4 a
und 4 b besteht. Dazwischen
angeordnet sind die oberen Schutzringe 5 und 6.
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In F i g. 3 sind im wesentlichen die gleichen Elemente der
F i g. 1 und 2 zu ersehen. Lediglich die Schutzzylinder 5, 6 und
51, 61 - in einer anderen möglichen Ausführungsform ist auch nur ein
Schutzzylinder denkbar - sind hier durchgehend zu je
einem Schutzzylinder
vereinigt, wobei jeder Schutzzylinder und die Außenelektrode 3 an vorbestimmten
Stellen Durchlaßschlitze 32, 52, 62 und 33, 53, 63
aufweisen. In der
beschriebenen Ausführungsforrn dient der Durchlaßschlitz 32 als Eintrittsspalt
für die Ionen und 53 als Austrittsspalt. Ferner erkennt man die Bahn
9 eines Ionenstrahles einer bestimmten Masse.
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Für bestimmte Ausführungsformen ist es vorteilhaft, daß zur Erzeugung
der Ionen eine entfernte Ionenquelle angeordnet ist, aus welcher die Ionen in das
Elektrodensystem durch einen in der äußeren Zy-
linderelektrode befindlichen
Eintrittsspalt (Durchlaßschlitz 32) eingeleitet werden, wobei durch eine
außen vorgesehene Spaltelektrode das Potential an der Stelle des Eintrittsspaltes
der äußeren Kondensatorelektrode so stark abgesenkt ist, daß die Ionen beim Anlaufen
gegen die äußere Zylinderelektrode eine Geschwindigkeitsverringerung erfahren, die
den Durchlauf einer neuen Periode ermöglicht. Weiter hat es sich für andere Verwendungszwecke
als sinnvoll erwiesen, bei wesentlich gleicher Anordnung die Energie der Ionen größer
als die der äußeren Kondensatorelektrode zu dimensionieren, so daß sie nach Ablenkung
durch das magnetische Feld an einem vorgegebenen Spalt in der äußeren Elektrode
des Kondensators austreten können.
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Zum gleichzeitigen Nachweis mehrerer unterschiedlicher Massen sind
an mehreren vorbestimmten Stellen des Umfanges der äußeren Elektrode des Kondensatorsystems
Spalte und Auffangelektroden angeordnet.