DE1598025A1

DE1598025A1 - Verfahren und Vorrichtung zur massenspektrometrischen Analyse von Stoffen

Info

Publication number: DE1598025A1
Application number: DE19671598025
Authority: DE
Inventors: Patrick Powers
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1966-05-17
Filing date: 1967-05-16
Publication date: 1971-02-25
Also published as: FR1523031A; US3603787A; GB1161431A

Description

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Associated Electrical Industries .ümited,London

■Verfahren und Vorrichtung zur massenspektrometrischen Analyse von Stoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung sur.massenspektrometrisclien Analyse von Stoffen und bezieht sich insbesondere auf'ein Massenspektrometer ait einer funken strecken-Soaenquelle»

Bei der quantitativen Analyse mit Hilfe eines Masaenspektro iJietsrs mit einer Punkenionenquelle war es Ms jetzt wichtig, das.3 die zu analysierendan Verunreinigungen in dem Proben material homogen verteilt waren _f weil die Funken nur aus ein&\«i kleinen Bereich der Probe gesogen wurden. Die Ionen des Speltro meterstrahls rührten daher nur von diesar kleinen Fläche her» Die Verunreinigungen sind jedoch in vielen Stoffen, die vorzugsweise massenspektrometrisoh analysiert werden _t nicht homogen verteilt» Bs waräaber nicht möglich, diese Stoffe massen spektrometrisch mit genügender Genauigkeit zu analysieren.

Me .Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu sohaf fen, naoh dem relativ inhomogene Proben mit größerer Genauig keit analysiert werden können. Ferner soll ein Gerät oder eine Vorrichtung geschaffen werden, die dieses Verfahren benutzt.

Sin Verfahren zur Analyse von Stoffen mit Hilfe eines Massenspectrometers mit einer jpunkenionenquelle ist eriindungs gemäß dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine von mehreren lunkeneletetroden der Ionenquelle sin© Probe des zu analysis- senden Stoffes enthält und daömindsstens eine der ,llektroden clerart feetjegt wird j daß die Probenf läüh© ₀ aus d©r die JFunken gssog©ii werden, fortwälireiscl verändert %·?Ϊ3?'.1»

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Weiterhin ist gemäss der Erfindung für ein Massenspektrometer· eine'Funkenionenquelle mit einer lonenkammer vorgesehen, in der die Ionen aus dem zu analysierenden Stoff unter ^verwendung von mehreren Funkenelektroden erzeugt werden? wobei zumindest eine der Elektroden eine Probe des zu analysierenden Stoffes enthält und --φμ&© mindestens eine der Elektroden derart bewegbar ist, dass sich die Probenfläche, aus der die !Tunken gezogen werden, fortwährend ändert.

Aufgrund dieses Verfahrens wird die Probenflache_s aus der die Ionen stamoien, im Vergleich mit den bekannten Verfahren, die ruhende Elektroden benutzen,- vergrößert. Wenn zwei ajlindrische Probenelektroden vorhanden sind_s wie es im allgemeinen der IPaIl ist, darm Immn. die Elektrodetibewegung darin bestehen, dass eine oder beide Elektroden um ihre Achse gedreht werden. Die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit hängt dabei 'von dem Probenstof£₃ der Beliühti ng3ciauer₉ aber auch von eier Art der j?urikencLU8l.le ab» Es kann sioh beispielsweise um einen Hooaxrec[uearf ausen₅ CfIe iehs tr oiaf unken oder andere !Tunken handalii. jlieae Veränderungen ti sr Drehgeschwindigkeit und bezw° oder Drehriehtung werden zur Einstellung der Empfindlichkeit benutzt_} wenn es notwendig sein sollte» So können s.B. die beiden Elektroden in derselben Hiehtung und in einem anderen Fall in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden. Die Elektrode oder jede Elektrode wird vorzugsweise in einer solchen V/eise gedreht, daß die Stelle oder der Ort auf der Elektrode j aus dem die funken gezogen werden₉ sich in derselben Richtung bewagt, wie die aus a©r Ionenquelle abfliegenden Ionen_s also in Richtung auf den Spektrometerspalto

Eine Veränderung des Ortes, an dem die Ionen erzeugt kann in anderer Weise dadurch srraioht XT?erden₉ daß man zumindest ©in© der Elektroden in Bezug auf die ander© Elektrode Tdezw»Elektroden vibrierend hin- und herbewegt.= Biese Vibration Iz&nn in einer von drei aufeinander sentereshtstehenden Sichtungen C die la allgemsiaen x-₉- j- imü. a--Aob.se d@e lonenstrahls b®s©i©fe- ©rf-olgen» Bis Titsationsrishtuiig Isarai abar auoh ©ine

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Kombination aus diesen drei Richtungen sein Vorzugsweise verläuft die Vibrationsrichtung längs der y Achse. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß man beispielsweise keine Motoren und Schleifringe benötigt und daß ein Vibrations mechanismus * der innerhalb oder ausserhalb der Ionenkammer angeordnet sein kann, relativ einfach aufzubauen und zu befestigen ist.

Das Verfahren, die Elektroden zu drehen, kann für alle Stoffe unter der Voraussetzung verwendet werden, daß die Stoffe in die dazu geeignete Elektrodenform gebracht werden können.

Dies ist nicht notwendig, wenn die Elektroden vibriert werden sollen. Ebenso kann die Kühlung bei vibrierenden Elektroden einfacher durchgeführt werden als bei drehbaren Elektra

Efcn erwartet, daß durch den Gebrauch dieser Funkenionenquellen die Genauigkeit der Analyse bei bestimmten Massenspektrometern um ein solches Maß vergrößert wird, dass man dabei die Genau igkeit erreicht, die man bei der Emissionsspektroskopie er hält.

Die Erfindung wird nun anhand von Figuren im einzelnen be schrieben.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen Querschnitt durch erfindungs gemässe Funkenionenquellen für Massenspektrometer, wobei die Elektrodenhalter mittels Elektromotoren drehbar sind.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab durch eiTE bevorzugtem Ausführungsform einer drehbaren Elektrodenhalterung gemäss der Erfindung.

Fig. 4 und Fig 5 zeigen teilweise geschnittene Ansichten einer vibrierenden Elektrodenhalterung.

Die in Fig. 1 gezeigte Funkenionenquelle enthält eine evakuierbare Ionenkammer 2, in die sich zwei einstellbare Tragarme 4 mit isolierenden Probenträgern 6 erstrecken, auf denen jeweils eine Funkenelektrode 8 angeordnet ist. Die,, Funken

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elektroden 8 enthalten den zu analysierenden Stoff. Elektrodenhalter 10 ,die vorzugsweise zylindrisch ausgebildet sind, sind mit je einem Läufer, von kleinen Gleichstrommotoren 12 verbunden, so daß die Elektroden von den Moübor-en um ihre Achsen gedreht werden können. Die Ständer der Motoren sind auf den Isolatoren 6 befestigt. Die Elektrodenhalter sind über die Motoren mit-entsprechenden S/peiseleitungen 14 verbunden, die über eine Hochspannungsdurchführung 16 aus der Kammer herausgeführt sind.

Infolge der Hochspannung ( normalerweise 20 klT Gleichspannung mit überlagerter Hochwechselspannung oder -gleichspannung), die an die Elektroden gelegt ist, werden die Motoren 12 von kleinen Batterien 18 versorgt, die an den Hochspannungsenden der Isolatoren 6 auf Tragarmen 20 angeordnet sind. Die Batterien, die entweder Primär- oder Sekundärzellen enthalten können, sind für den Betrieb im Hochvakuum abgedichtet und sind in der lage, die Motoren ununterbrochen für einige Stunden zu betreiben, solange eine Analyse andauert. Die Batterien können bei jeder neuen Analyse durch, neue Batterien ersetzt werden. 1"¹Ur diesen Zweck sind handliche Klemmverbindungen 22 vorgesehen.

Die in Fig. 2 gezeigte Funkenionenquelle enthält eine Ionenkammer 2¹ , einstellbare Tragarme 4¹ , Isolatoren 6' , auf denen die Elektroden ö^! mittels Elektrodenhalter 10' ange ordnet sind, sowie eine Hochspannungsdurchführung Ib¹ für die Versorgungsdrähte 14.' · Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung enthalten die einstellbaren Tragarme drehbare Wellen 30, die die Isolatoren 6' tragen. Die Elektroden können mittels · Elektromotoren 32 gedreht werden,>deren Läufer 34 von den dazugehörigen Wellen 30 getragen werden oder an diese Wellen angekuppelt sind. Die Elektrodenhalter 10' sind über Schleifringe an die Speiseverbindungen 14' angeschlossen. Die Motorenetänder sind vorzugsweise ausserhalb des' evakuierbaren Bereiches des

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Gerätes angeordnet .Die Wellen können von Lageaxi. 40 getragen sein, die wiederum in einer dünnwandigen unmagnetischen Hülse 42 angeordnet sind, die sich vom Innenende des biegsamen Teils 44 des einstellbaren Tragarmes 4¹ durch, den Spalt zwischen dem Ständer 38 und dem Läufer 34 nach aussen erstreckt und deren äusseres Ende dann vakuumdicht abgeschlossen ist.

Die Motoren können mit Gleichspannung oder Wechselspannung betrieben werden. Im letzteren lall würde es sich dann um Käfigläufermotoren oder Synchronmotoren handeln. Beim Antrieb der Motoren mit Wechselspannung kann die Drehgeschwindigkeit der Elektroden 8¹ verändert werden, indem man die den Motorständern zugeführte Frequenz verändert. Wenn die Ständer der Motoren ausserhalb des evakuierten Bereiches des G-erätes angeordnet sind, dann wird eine Verunreinigung des Hochvakuums durch die Ständerwicklungen vermieden. Die Lager des Läufers, die notwendigerweise im Vakuum angeordnet sein müssen, bestehen-vorzugsweise aus gefülltem ( filled) Polytetrafluoräthyleh oder einem ähnlichen Material, das im Hochvakuum hinreichend gute Betriebsbedingungen zeigt.

Während sich die in !ig. 1 gezeigte Anordnung durch Einfachheit auszeichnet, kann man bei der in lig. 2 gezeigten Anordnung die Drehgeschwindigkeit verändern und bessere Hochvakuumbedingungen aufrechterhalten, Dazu ist selbstver ständlich ein aufwendigerer Aufbau notwendig. Da bei der zweiten Anordnung awch die Elektrodenhalterisolatoren gedreht werden, müssen die Motoren für eine höhere Leistung ausgelegt sein. Dies ist jedoch unbedeutend, da die Motoren von aussen mit Energie versorgt werden.

3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer drehbaren Elektrodenhalterungsanordnung. Diese Anordnung enthält einen 50, der über einen Bund 52 an dem einen Ende

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einer Metallwelle 54 koaxial befestigt ist. Die Metallwelle wird von Kugellagern 56 getragen, die innerhalb des inneren Endes einer Isolierhülse 58 angeordnet sind, die sich "lose durch ein röhrenförmiges Bauteil 60 erstreckt, das vakuumdicht mit einer Ionenkammer 62 verbunden ist. Das Bauteil weist einen Gewindeflansch 64 auf, auf den ein röhrenförmiges Paßstück 66 aufgeschraubt ist. Auf das röhrenförmige Paßstück 66 ist ein weiteres röhrenförmiges Einstellglied aiigeschraubt·. Das äuiSere Ende des einstellbaren Gliedes 68 nimmt ein Lager 70 auf, in das ein Zentrieransatz 72 eingepaßt i ist, der zu einer Druckplatte 74 gehört. Auf der Druck ■ platte 74'befinden sich Druckkissen 76, gegen die drei einstellbare Mikrometerschrauben 78 drücken können. Die Mikro .meterschrauben 78 sind an einer Einstellplatte 80 befestigt, die das äussere Ende eines Tragblockes 82 in sich aufnimmt, der über einen vakuumdicht befestigten Balg 84 mit dem röhrenförmigen Bauteil 60 an der Ionenkammer verbunden/ist.

Der Tragblock 82 hat einen röhrenförmigen Ansatz 86, der sich in das äussere Ende der Isolierhülse 58 einpaßt. In dem röhrenförmigen Ansatz 86 sind Lager 88 aus Polytetrafluoräthylen eingepasst, in denen eine weitere Metallwelle 90 gelagert ist. Die Metairwelle 90 1st über eine Welle 92 aus Polytetrafluoräthy! len mit der. Welle 54 verbunden. Das äussere Ende der Welle trägt den angetriebenen Teil einer magnetischen Kupplung94· Der treibende Teil der Magnetkupplung wird von einer Welle

getragen, die in den Kugellagern 98 gelagert ist. Db Kugel

lager 98 befinden sich in einer röhrenförmigen Verlängerung 100 der Einstellplatte 80. Die Einstellplatte 80 bildet einen Teil des Gehäuses für die magnetische Kupplung. Die Welle 96 ist mit einem biegsamen Bauteil 102 verbunden«. Das biegsame Bauteil 102 wird von einem Motor 104 angetrieben, so daß der Probenaalter 50 gedreht werden kann.

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Eine Gummi dichtung 106 zwischen dem Tragblock 82 und einem Plansch 108 aus nichtmagnetischem Material sorgt für eine vakuumdichte Abdichtung. Eine röhrenförmige Verlängerung des Flansches 108, die aussen mit einer Kappe abgeschlosse-n ist, erstreckt sich zwischen die beiden Teile der magnetischen Kupplting 94 und umschliesst den inneren Teil der Kupplung innerhalb des evakuierbaren Bereiches des Gerätes. Eine Hochspannung führende Leitung ilO ist mit dem Probenhalter über eine Kohlebürste 112 verbunden. Die Bürste 112 wird von einer Sperrfeder 114 in ihrer Lage gehalten. Die Bürste steht mit einer Kupferhülse 116 in Verbindung, die auf der Welle 54 befestigt ist.

Die Pig 4 und 5 zeigen vibrierende Elektrodenhalterungsanoränungen. Ein Probenhalter 120 ist am inneren Ende eines Glasisolators 122 befestigt. Der Glasisolator 122 ist an seinem anderen Ende mit einem Stab 124 verbunden, der von einem Tragkörper Ϊ26 unterstützt wird. Der Tragkörper ist lose in einen Hals 128 in einem Befestigungsblock 130 eingepasst. Der Block 130 ist vakuumdicht mit einer Ionenkammer 132 verbunden. Der Tragkörper 126 isx derart geformt, daß er zur Vibration des Probenhalters 120 eine Schwenkbewegung (_ see-saw movement) des Stabes um den Tragkörper herum er laubt. Der Stab 124 erstreckt sich durch eine Öffnung in einer Befestigungsplatte 134 und durch einen Balg 135, der mit der Platte I34 verbunden ist. Das äussere Ende des Balges weist eine Kappe I56 auf, die mit dem Stab 124 vakuumdicht verfcmnden ist. Die Befestigungsplatte 1^4 ist mit Hilfe von Schrauben 137, die durch Schlitze 1^8 in der Befestigungsplatte hindurchgehen, vakuumdicht an dem Befestigungsblock befestigt. Die Schlitze 138 erlauben eine winke!mäßige Ein ~ stellung der Platte. Das äussere Stabende ist an einem Winkelstück i40 befestigt, durch das der Stab mit einem Vibra-

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tionsmotor 142 verbunden ist. Der Motor ist an einer feststehenden Halterung 144 befestigt und rechtwinklig inbezug auf den Stab angeordnet, so daß die Vibration des äusseren Stabendes in den !Figuren 4 und 5 im wesentlichen in senkrechter Richtung erfolgt, und zwar um die Spitzen von zwei einstellbaren Drehschrauben 146 herum. Die Schrauben 146 sind in V förmigen Hüten 148 in der Befestigungsplatte 134 gelagert. Die Einstellschrauben sind am Winkelstück 140 mittels eingepaßter Hülsen 150 befestigt. Sperrmuttern 152 dienen dazu, die Einstellshrauben zu sperren, nachdem die Einstellung mit Hilfe von RändelM3pfen 154 vorgenommen wurde. Die Befestigung des Motors 142 am Winkelstück 140"ist ebenfalls einstellbar, und zwar mit Hilfe einer einstellbaren Schraube 156, die einen Rändelknopf 158 aufweist. Die Schraube 156 ist an dem Winkelstück 140 mit Hilfe von Rändelmuttern und Sechskantsperrmuttern 162 feststellbar. Die Befestigung des Stabes 124 am Winkelstück ist mittels einer Schraube mit einem Rändelknopf 164 einstellbar.

Mit Hilfe der vorgesehenen Einstellungen ist es möglich, die Lage einer Probenelektrode, die auf einem Probenhalter befestigt ist, in Bezug auf die L .ge der anderen Elektrode in der Ionenkammer 132 einzustellen, und zwar vorzugsweise derart, daß die Elektroden längs der y -Achse voneinander getrennt sind. In den Pig. 4 und Ό sind die senkrecht auf einanderstehenden Achsen x,y und ζ gezeigt. Eine Vibrationsbewegung des äusseren Endes des.Stabes 124 in der vorher erwähnten Richtung bewirkt, dass die Probenelektrode in einer Richtung vibriert, die im wesentlichen parallel zur y-Achse verläuft'.

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Analyse von Stoffen mit Hilfe eines Massenspektrometer^ mit einer lunkenionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine von mehreren Funkenfölektroden der Ionenquelle eine •^robe des zu analysierenden Stoffes enthält und daß mindestens eine der Elektroden derart bewegt wird, daß die Probenfläche, aus der die Funken gezogen "werden, fortwährend verändert wird ·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode, sofern sie zylinder-förmig ist, um ihre Achse gedreht wird·

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß beide Elektroden, sofern sie zylin··- derförmig sind und Proben des zu analysierenden Stoffes

r ι

enthaltenj, um ihre entsprechenden Achsen gedreht v/erden«

4„ Verfahren nach einem oder bei den der Ansprüche 2 und 3_} dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode oder jede Elektrode in einer solchen Eichtung gedreht wird, daß die Stelle oder de-r Ort auf der Elektrode ,, aus dem die 'Funken gesogen werden, in' derselben Eichtung bewegt wird, in: dor die Ionen von der■Ionenquelle weg -

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geke nnzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden in Bezug auf die andere Elektrode oder Elektroden in Vibration versetzt oder hin- und herbewegt wird.

ü. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch.ge ken nzeichnet , daß zumindest eine der Elektroden in Bezug auf die andere oder anderen Elektroden in Vibration versetzt wird, so daß diese Elektrode im wesentlichen parallel zur y-Achse des Ionenstrahls hin- und herbewegt wird.

7· Funkenionenquelle für ein Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet , daß in einer Ionenkammer mehrere Funkenelektroden Ionen aus dem zu analysierenden Stoff erzeugen, daß mindestens eine der Elektroden eine Probe des zu analysierenden Stoffes enthält und daß mindestens eine der Elektroden derart bewegbar ist, daß sich die Probenflache, aus der die Funken gezogen werden, fortwährend ändert.

8. Funkenionenquell 3 nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, daß ein die Probenelektrode haltender Elektrodenhalter drehbar ist. Lind zwar derart, daß eine zylindrische Probenelektrode um ihre Achse drehbar ist.

9« Funkenionenquelle nach Anspruch 8, dadurch, gekennzeichnet j, daß die Drehgeschwindigkeit und bezw» oder Drehrichtung des Elektrodenhalters veränderbar sind.

10. Funkenionenquelle nach Anspruch 7₅ dadurch gekennzeichnet _} daß ein die Probenelektrode hai- &, tender Elektrodenhalter vibrierbar oder hin- und herbewegbar ist j und zwar derart _} daß der Ort auf der Elektrode ₉ aus dem die Funken austreten, fortwährend veränderbar ist.

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I·.. Funkenionenguelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die vibrierende Elektrode im wesentlichen parallel zur y-Achse des Ionenstrahis hin- und herbewegbar ist.

12. Funkenionenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , -daß eine Vorrichtung zur Drehung der Elektrode einen Elektromotor enthält, der innerhalb der Ionenkammer angeordnet ist.

l'j>. Funkenionenquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß eine innerhalb der Ionenkammer angeordnete Batterie den Motor mit Energie versorgt.

14· Funkenionenquelle nach einem oder beiden Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Elektrodenhalter "zum Erzeugen der funken an eine Energiequelle angeschlossen ist.

Ip. Funkenionenquelle nach einem oder beiden Ansprüchen 8 und 9> dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Drehung der Elektrode einen Elektromotor enthält, dessen Läufer von einer vakuundichten unmagnetischen Hülse, die sich zwischen dem Läufer und dem Ständer erstreckt, umgeben ist, so daß der Läufer innerhalb der evakuierbaren Ionenkammer angeordnet ist, und daß sich der Ständer ausserhalb der Ionenkammer befindet.

16. Funkenionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor einen Teil einer einstellbaren befestigungsvorrichtung für den drehbaren Elektrodenhalter bildet und daß die Lage der Elektrode in Bezug auf die Lage der anderen Elektrode bezw.Elektroden mit Hilfe dieser Befestigungsvorrichtung einstellbar ist.

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17· Funkenionenquelle nach einem oder beiden Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor, der ausserhalb der Ionenkammer angeordnet ist, den Elektrodenhalter über eine magnetische Kupplung antreibt, daß dBr angetriebene Teil der magnetischen Kupplung von einer vakuumdichten unmagnetischen Hülse mmgeben ist, die sich zwischen dem angetriebenen Teil und dem treibenden Teil der Magnetkupplung erstreckt und aussen vakuumdicht verschlossen ist, so daß der angetriebene Teil innerhalb der Ionenkamtner und der antreibende Teil der magnetischen Kupplung außerhalb der Ionenkammer angeordnet ist.

18. Funkenionenquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß eine biegsame Antriebsverbindung zwischen dem Motor und dem treibenden Teil der Magnetkupplung besteht.

19· lunkenionenquelle nach einem oder beiden der Ansprüche und 18, dadurch gekennzeichnet , daß die magnetische Kupplung innerhalb £iner einstellbaren Befestigungsvorrichtung für den drehbaren Elektrodenhalter angeordnet ist und daß die Lage der Elektrode mit Hilfe der Befestigungsvorrichtung in Bezug-auf die Lage der anderen Elektrode bezw. Elektroden einstellbar ist.

2Oe 3?unkenionenquelle nach Anspruch 19, d a "d u r-c h gekennzeichnet, daß die einstellbare Befestigungsvorrichtung mehrere-Mikrometergehrauben trägt, die auf die Befestigungsvorrichtung und einen Bauteil einwirken, der fest mit der Ionenkammer verbunden ist, und daß ein beugsames und ausdehnbares Bauteil die einsteilbare Befestigungsvorrichtung mit d©r Ionenkammer verbindet.

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