DE1298738B

DE1298738B - Massenfilter mit erhoehter Trennschaerfe und Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE1298738B
Application number: DES85018A
Authority: DE
Inventors: Guenther; Dr Rer Nat Karl-Georg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-05-02
Filing date: 1963-05-02
Publication date: 1969-07-03
Also published as: US3280326A; GB1024925A; CH427352A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenfilter; bestehend aus einem evakuierbaren Hohlraum, in welchem mehrere parallele, elektrisch leitende, mit einer Hochfrequenzquelle verbundene Analysator. Stäbe angeordnet sind, die im Bereich der Filterachsc zwischen den Stäben ein Hochfrequenzfeld zum Ausfiltern achsenparallel eintretender Ionen erzeugen, Das »Quadrupol«-Massenspektrometer (Massenfilter; deutsche Patentschrift 944 900) erreicht mit einem durch vier zylindrische Stäbe erzeugten Analysatorfeld eine Trennschärfe, deren Optimum bei den bisher entwickelten Partialdruck Vakuummetern vorgegebener Geometrie festliegt und erreicht worden ist.
Die als »Monopol«-Spektrometer vorgeschlagene Anordnung benutzt praktisch einen Ausschnitt von einem Viertel der obengenannten Anordnung. Es wird nur ein einziger Feldstab verwendet, der zwei Winkelblechen gegenübersteht. Diese sind so orientiert, daß ihre Ebenen um 45° zu den durch die Achsen X bzw. Y der im Massenfilter vorgegebenen Ebenen verdreht sind. Hierdurch wird bei vorgegebener Feldlänge eine bessere Trennschärfe möglich. Es ist jedoch nachteilig, daß diese Anordnung an sich und vor allem der Ort des Ioneneinschusses unsymmetrisch sind.
Damit ergibt sich eine ungünstige Raumausnutzung beim Einbau in ein übliches Spektrometerrohr, wenn man nicht die Ionenquelle selbst unsymmetrisch bauen will, was ebenfalls unvorteilhaft' sein kann. Darüber hinaus ist bei Abmessungen, die mit dem üblichen Massenfilter vergleichbar sind, die für den eingeschossenen Ionenstrahl ausnutzbare Fläche gering. Alle diese Gründe zusammengenommen führen zu einer vergleichsweise geringen Empfindlichkeit des sogenannten »Monopol«-Spektrometers.
Durch das erfindungsgemäße Massenfilter, welches sowohl Elemente der »Quadrupol«- als auch der »Monopol«-Massenfilter enthält, werden die oben geschilderten Nachteile überwunden. Das erfindungsgemäße Massenfilter zeichnet sich sowohl durch eine verbesserte Trennschärfe als auch durch eine gesteigerte Empfindlichkeit aus.
Das Massenfilter nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Filterraum durch ebene, sich zwischen den Analysatorstäben über die Länge des Filters und von der Filterachse radial nach außen erstreckende, auf einem festen Potential liegende Elektroden in Sektoren geteilt ist und daß in jedem Sektor je ein Analysatorstab symmetrisch angeordnet ist. -Die Symmetrieebenen können einen rechten Winkel bilden. Es können vier Analysatorstäbe vorgesehen sein. An allen Analysatorstäben kann die gleiche aus einem Gleichspannungs- und Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannung liegen. Allen Analysatorstäben kann ein gemeinsamer Auffänger zugeordnet sein. Es kann aber auch jedem Analysatorstab ein getrennter Auffänger für die Ionen zugeordnet sein. Die Analysatorstäbe können verschiedene Durchmesser haben. Die Analysatorstäbe können verschiedenen Abstand ro von der Filterachse haben. Zur Messung verschiedener bestimmter Massen können die Abstände der Analysatorstabachsen von der Filterachse proportional dem Kehrwert. der Wurzel aus der Massenzahl sein (roi = c - m-1?). An den Analysatorstäben gleichen oder ungleichen Durchmessers können unterschiedliche aus einem Gleichspannungs- und einem Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannungen der Form liegen. Die Erfindung wird an Hand mehrerer Figuren näher erläutert: F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch das schon bekannte Massenfilter nach der deutschen Patentschrift 944 900; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch das »Monopol«-Massenfilter; F i g. 2a zeigt eine mögliche Einbauart dieses Massenfilters (Stand der Technik); F i g. 3 gibt einen Querschnitt durch das neue Massenfilter gemäß der Erfindung; F i g. 4 stellt eine besondere Ausführungsform dieses Massenfilters dar; F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsfarm: Unter ebenen Elektroden wird hier und im folgenden verstanden: z. B. Bleche von beispielsweise etwa 0,1 bis 0,5 mm Dicke, dünne Geflechte aus beispielsweise Drähten von etwa 0,3 mm Durchmesser.
In F i g. 1 ist im Schnitt "das bekannte Massenfilter nach der deutschen Patentschrift 944900 dargestellt. In einer Hülle 1 sind vier gleich große Analysatorstäbe 2 bis 5 symmetrisch ,angeordnet. Gegenüberliegende Stäbe sind paarweise mit einer Spannung der Form über isolierte Spannungsdurchführungen 6 und 7 versorgt. Mit X und Y sind die Richtungen der Hauptebenen angedeutet.
F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch das »Monopol«-Massenfilter schematisch. Es wird nur ein einzelner Analysatorstab 10 verwendet. Zu beiden Seiten befinden sich Bleche in paralleler Richtung, beispielsweise unter einem Winkel von 90°. In den Ebenen X' und Y' liegen die Bleche, die im Vergleich zu den um 45° rückwärts gedrehten Ebenen X und Y eingezeichnet sind. -Sowohl in F i g. 1 als auch in F i g. 2 ist ein kreisrunder Bereich des -Iöneneinschusses als Beispiel durch Schraffur ohne Umrandung angegeben durch 8 bzw. 13. Wie leicht ersichtlich, liegt dieser Bereich bei F i g. 2 exzentrisch zur Schnittlinie der beiden Bleche.
F i g. 2a zeigt, daß beim Einbau der »Monopol«-Anordnung in ein übliches Spektrometerrohr die Raumausnutzung nicht günstig ist. Auch muß die Austrittsöffnung der Ionenquelle exzentrisch liegen, was baulich gewisse Schwierigkeiten macht.
F i g. 3 zeigt ein Beispiel für ein verbessertes Massenfilter gemäß der Erfindung. Es sind hier vier Analysatorstäbe 31 bis 34 in einer Hülle 30 angeordnet. Die Hülle ist geerdet, durch die Spannungszuführung 35 wird allen vier Stäben durch eine Ringleitung 36 die gleiche Spannungsart und -große zugeführt. Die ebenen Elektroden in den Symmetrieebenen sind mit 37 und 38 bezeichnet, sie stehen in diesem Beispiel unter einem Winkel von 90°. Der Bereich des lonenstrahles ist gestrichelt ohne Umrandung -mit 39 angegeben. Durch die isolierte Zuführung 40 können an die Elektroden 37 und 38 Spannungen von -100 bis + 100 V angelegt werden. Die Hauptebenen sind mit X und Y bzw. mit X' und Y angegeben.
Mit dieser Anordnung nach F i g. 3 werden folgende Vorteile erreicht: a) Die Anordnung ist vollkommen symmetrisch. b) Für den Ioneneinschuß steht die gesamte schraffierte Fläche zur Verfügung, die etwa dem Vierfachen der vergleichbaren Fläche des »Mono-. pol«-Spektrometers entspricht. Damit ist eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet.
c) Die Feldstäbe liegen alle an gleicher Spannung, so daß ein vereinfachter mechanischer Aufbau und auch ein vereinfachter Hochfrequenzgenerator möglich wird.
d) Die Trennschärfe entspricht unter Vermeidung der obengenannten Nachteile derjenigen des »Monopol«Spektrometers.
In manchen Fällen ist es erforderlich oder erwünscht, mit dem Massenfilter zwei oder mehrere verschiedene Gasarten gleichzeitig zu messen oder zu registrieren. Das ist mit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung leicht möglich: Hierzu werden die vier (oder mehr) Analysatorstäbe mit untereinander unterschiedlichem Durchmesser und Abständen von der Systemachse ausgelegt, und zwar derart, daß bei gleicher und unveränderter Spannung an beispielsweise vier verschiedenen Quadranten vier verschiedene Massen gemäß m = const/rö ausgefiltert werden. Am Ausgang des Analysators sind entsprechend viele Auffänger angebracht, die einen getrennten Nachweis bzw. eine getrennte Anzeige der verschiedenen Massen ermöglichen. In F i g. 4 ist mit 41 das Gehäuse einer solchen Anordnung bezeichnet; 42, 43, 44 und 45 sind vier Analysatorstäbe mit verschiedenen Durchmessern und verschiedenen Abständen ro von der Systemachse, diese Abstände können entsprechend der Formel mx = const/rö x gewählt werden. Mit 46 ist eine Ringleitung bezeichnet, an der die Analysatorspannung liegt. Die in diesem Beispiel unter 90° angeordneten ebenen Elektroden tragen die Bezugszeichen 47 und 48. Der symmetrisch liegende Einschußbereich ist angedeutet. Zur Spannungszuführung sind fünf Durchführungen eingezeichnet: 42 a, 43a, 44a, 45a und 49. Weiterhin ist es möglich, an Stelle von vier Analysatorstäben eine beliebige Anzahl von Stäben vorzusehen, dann sind die in entsprechender Weise zugeordneten ebenen Elektroden im allgemeinen schiefwinkelig zueinander dazwischen angeordnet.
In F i g. 5 ist beispielsweise eine solche Anordnung dargestellt. Das Gehäuse ist mit 51 bezeichnet; die acht Analysatorstäbe 52, in diesem Beispiel gleichen Durchmessers, liegen symmetrisch zu den Blechen 53. Der symmetrisch liegende Einschußbereich ist auch hier wieder schraffiert angedeutet. Mit 54 und 55 sind Durchführungen bezeichnet.
Diese Ausführung kann auch mit Analysatorstäben verschiedener Durchmesser und verschiedener Abstände von der Systemachse sowie ungleichmäßigen Winkelbereichen der Bleche durchgebildet werden.
Hiermit sind weitere Möglichkeiten zur verbesserten Raumausnutzung bzw. für den gleichzeitigen Nachweis einer größeren Zahl verschiedener Massen gegeben.

Claims

Patentansprüche: 1. Massenfilter, bestehend aus einem evakuierbaren Hohlraum, in welchem mehrere parallele, elektrisch leitende, mit einer Hochfrequenzquelle verbundene Analysatorstäbe angeordnet sind, die im Bereich der Filterachse zwischen den Stäben ein Hochfrequenzfeld zum Ausfiltern achsenparallel eintretender Ionen erzeugen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Filterraum durch ebene, sich zwischen den Analysatorstäben (31 bis 34, 42 bis 45, 52) über die Länge des Filters und von der Filterachse radial nach außen erstreckende, auf einem festen Potential liegende Elektroden (37, 38, 47, 48, 53) in Sektoren geteilt ist und daß in jedem Sektor je ein Analysatorstab symmetrisch angeordnet ist. .
2. Massenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Potential zwischen -100 und + 100V beträgt.
3. Massenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieebenen einen rechten Winkel bilden.
4. Massenfilter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vier Analysatorstäbe vorgesehen sind.
5. Massenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an allen Analysatorstäben die gleiche aus einem Gleichspannungs- und einem Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannung liegt.
6. Massenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatorstäbe verschiedene Durchmesser haben.
7. Massenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatorstäbe verschiedenen Abstand ro von der Filterachse haben. B.
Massenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung verschiedener bestimmter Massen die Abstände der Analysatorstabachsen von der Filterachse proportional dem Kehrwert der Wurzel aus der Massenzahl sind.
9. Massenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Analysatorstäben gleichen oder ungleichen Durchmessers unterschiedliche aus einem Gleichspannungs - und einem Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannungen liegen.
10. Massenfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Analysatorstab ein getrennter Auffänger für die Ionen zugeordnet ist.