DE1598657C3 - Impulsmassenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Impulsmassenspektrometer mit einer Ionenquelle, in der ein aus mehreren Ionensorten möglichst gleicher kinetischer Energie bestehendes Ionenbüschel seinen Ursprung hat, ferner mit einem aus mindestens zwei nacheinander durchlaufenen magnetischen Feldern gleicher Richtung bestehenden Analysator, durch den das Ionenbüschel in so viele einzelne Bildstrahlenbüschel zerlegt wird, wie es nach Impulsen unterschiedene lonensorten enthält, und schließlich mit Mitteln zur Messung bzw. zum Nachweis der Ionenströme der einzelnen Bildstrahlenbüschel.

Bei den bekannten massenspektroskopischen Geräten, die man gemeinhin als Impulsspektrometer bezeichnet, wird meistens ein magnetisches Sektorfeld mit geradlinigen Feldbegrenzungen verwendet, das gleichzeitig folgende zwei Funktionen zu erfüllen hat: · ■..··,■:

1. ein in das Sektorfeld eingestrahltes, homozentrisches, divergentes Büschel isokinetischer Ionen (Ionen gleicher kinetischer Energie) in ein konvergentes Büschel zu verwandeln,

2. das besagte Büschel, falls mehrere Ionensorten in ihm enthalten sind, in eine Anzahl konvergenter Büschel derart aufzuspalten, daß jedes dieser Büschel nur eine Ionensorte enthält.

Das Magnetfeld hat also für Ionen gleicher Sorte — genauer gesagt: für Ionen gleichen Impulses —eine fokussierende Wirkung und für unterschiedliche Ionensorten -— genauer: Ionen unterschiedlichen Impulses — eine dispergierende Wirkung. Oder in der Sprache der Lichtoptik ausgedrückt: das magnetische Sektorfeld hat die Funktion einer Sammellinse und die eines Prismas zugleich. Beide Funktionen — die fokussierende und die dispergierende — müssen möglichst wirksam sein, damit »Lichtstärke« und Auflösungsvermögen des Gerätes möglichst groß werden. Mit anderen Worten: Es wird gefordert, daß das

55 Sektorfeld sowohl eine hochkorrigierte Fokussierung als auch eine hohe Dispersion auf das Ionenbüschel ausübt. Nun zeigt eine anschauliche Betrachtung des Strahlenganges im Sektorfeld — und die Rechnung bestätigt es —, daß diese beiden Forderungen, will man sie realisieren, einander entgegenwirken.

Wir betrachten z. B. das klassische ^-Spektrometer, bei dem der Sektorwinkel und der Ablenkwinkel den gleichen Mittelpunkt haben und beide = 90° sind. Machen wir nun bei gleichbleibendem Ablenkwinkel den Sektorwinkel größer als 90°, so wird die Fokussierung besser, aber die Dispersion unerwünschterweise kleiner. Machen wir dagegen den Sektorwinkel kleiner als 90°, dann wird zwar die Dispersion größer, aber die Fokussierung schlechter. Allgemein: bei magnetischen Sektorfeldspektrometern mit geradlinigen Feldbegrenzungen hat eine Verbesserung der Fokussierung zwangsläufig eine Verschlechterung der Dispersion zur Folge und umgekehrt.

Es ist auch bereits ein Massenspektrograph bekannt, welches im Strahlengang als Analysator eine Fokussierlinse und ein nachgeordnetes magnetisches Feld mit parallelen Begrenzungsflächen aufweist. Auch dabei ist jedoch keine Optimierung einerseits der Fokussierung und andererseits der Dispersion je für sich getrennt möglich (Zeitschrift »Feingerätetechnik«, 12. Jahrgang, Heft 5, 1963, S. 203 bis 211, und insbesondere Bild 18).

Es besteht die Aufgabe, ein Impulsmassenspektrometer mit hohem Auflösevermögen durch eine große Dispersion der einzelnen Bildstrahlenbüschel zu schaffen, ohne eine Verschlechterung der Fokussierung in Kauf nehmen zu müssen oder wobei die Fokussierung sogar verbessert ist und dennoch eine räumlich gedrängte Bauweise möglich sein soll.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Impulsmassenspektrometer der eingangs erwähnten Art verwendet wird und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Felder des Analysators homogen sind und daß wenigstens eines dieser Felder, im folgenden Prisma genannt, eine geradlinige Eintrittsbegrenzung und eine zu dieser parallele geradlinige Austrittsbegrenzung hat. Dadurch ist es überraschend gelungen, bei guter Fokussierung eine hohe Dispersion zu erreichen.

Vor oder vor und hinter dem magnetischen Analysator kann ein elektrisches Fokussierungsfeld angeordnet sein.

Die der Erfindung entsprechende neue Anordnung ist ähnlich der des Prismenspektralapparates der Lichtoptik, bei dem mindestens ein Prisma eine rein dispergierende Wirkung auf die einzelnen Farbkomponenten eines Lichtbüschels ausübt, während eine oder mehrere Sammellinsen eine rein fokussierende Wirkung haben. ':■:.:>

Dadurch, daß in einem Strahlenbüschel isokinetischer Ionen im Sinne der Erfindung ein besonderes Dispersionsfeld angebracht ist, das auf Parallelstrahlen keinerlei Fokussierung ausübt, und die Fokussierung durch gesonderte Felder vor und hinter dem Dispersionsfeld bewirkt wird, ergibt sich die Möglichkeit, die Dispersion unabhängig von den Fokussierungsfeldern zu steigern. Dies ist nicht möglich bei den herkömmlichen Impulsspektrometern, bei denen wie oben beschrieben, die Dispersion und die Fokussierung durch ein einziges Kraftfeld, nämlich durch ein magnetisches Sektorfeld bewirkt werden, wobei

zwischen Dispersion und Fokussierung eine solche Abhängigkeit besteht, daß sie einander entgegenwirken. Bei den herkömmlichen magnetischen Sektorfeldern muß daher, will man die Dispersion erhöhen, der Ablenkradius vergrößert werden, womit proportional dem Quadrat des Ablenkradius die Magnetfeldfläche vergrößert werden muß. Die Erfindung stellt demgegenüber also eine wesentliche Verbesserung dar.

Es handelt sich dabei also um solche Impulsspektrometer, bei denen ein Strahlenbüschel isokinetischer Ionen, welches mehrere Ionensorten enthält, in eine Anzahl fokussierter Strahlenbüschel dispergiert wird derart, daß jedes dieser Büschel nur Ionen gleichen Impulses enthält.

Es sei noch folgendes erwähnt: Bei Impulsspektrometern wird in der Regel eines der nach unterschiedlichen Impulsen getrennten, aus dem Sektorfeld fächerförmig austretenden Strahlenbüschel einem Ionenauffänger zugeführt, mittels dessen unter Zuhilfenahme von Meßinstrumenten der elektrische Strom des Büschels gemessen wird. Den Mittelstrahl dieses im Auffänger mündenden Büschels einschließlich des zugehörigen Büschelteiles im Sektorfeld selbst und des ins Sektorfeld eintretenden Büschels, das ja allen Impulssorten gemeinsam ist, nennen wir den Hauptstrahl; das Büschel selbst das Hauptbüschel. Andere Büschel des Fächers können durch Änderung der magnetischen Induktion oder der Ionenbeschleunigungsspannung ebenfalls dem Auffänger zugeführt werden. Jeweils ist dabei das in den Auffänger mündende Büschel das Hauptbüschel, sein Mittelstrahl Hauptstrahl.

Auch für die der Erfindung entsprechende, oben beschriebene Anordnung sei der Begriff des Hauptstrahles eingeführt. Ferner soll in dem hier verwendeten Begriff »homozentrische Strahlenbüschel« auch das Parallelstrahlenbüschel mit im Unendlichen liegendem Zentrum enthalten sein.

Es kann zweckmäßig sein, wenn das oder die Prismen zwischen zwei fokussierenden, magnetischen Sektorfeldern liegen, von denen eines senkrecht zu seiner Begrenzung austretende, parallele Ionenstrahlen dem oder den Prismen zustrahlt, während das andere die aus dem oder den Prismen kommenden senkrecht zu seiner Feldbegrenzung eintretenden, parallelen Ionenstrahlen auf einen Auffänger od. dgl. fokussiert. Da elektrische Linsen keinen Beitrag zur Dispersion liefern — ganz analog dem Prismenspektralapparat der Lichtoptik —, sind Fokussierung und Dispersion funktionell voneinander unabhängig, was bei der Anwendung und dem Betrieb der auf dieser Basis konstruierten Geräte erhebliche Vorteile bei der Optimierung von Dispersion und Fokussierung bietet.

Es sei noch erwähnt, daß ein Massenspektrometer bekannt ist (USA.-Patentschrift 3 087 055), welches als Analysator zwei von den Ionen nacheinander durchlaufene magnetische Felder mit gleichgerichteten Feldvektoren aufweist. Diese magnetischen Felder sind jedoch inhomogen, und zwar müssen sie so gestaltet sein, daß die Feldstärke eine bestimmte Funktion des Ablenkradius ist. Die magnetischen Felder des Massenspektrometers nach der Erfindung sind dagegen sämtlich homogen und daher wesentlich leichter herzustellen.

Zur mathematischen Behandlung der Wirkungsweise eines solchen Dispersionsfeldes sei — ähnlich der Lichtoptik — eine Winkeldispersiori Dw eingeführt. Es wird definiert

Dw =

da dJ J

worin d α den Winkel bedeutet, den der aus dem Dispersionsfeld austretende Hauptstrahl und der Mittelstrahl eines Nachbarbüschels miteinander bilden,

während -γ- den relativen Impulsunterschied der

Ionen bedeutet, die den beiden Büscheln angehören. Aus der Bewegungsgleichung von Ionen unterschiedlicher Impulse in einem Magnetfeld erhält man die Gleichung

dJ J

dr r

worin — den relativen Unterschied der Ablenkradien r + dr und r bedeutet. Für streng isokinetische Ionen gilt die Beziehung

dJ J

dr r

J_ ^dm 2

worm

dm

der relative Massenunterschied der betrachteten Ionen ist.

Zur Errechnung der Massendispersion dp wird für den Fall elektrischer Fokussierungslinsen die Brennweite / benötigt, d. h., der Abstand des Auffängers von der Linse und im Falle magnetischer Fokussierung der Abstand I des im Fokus stehenden Auffängers von der. Feldbegrenzung. Man erhält mittels der vorstehenden Gleichungen somit für eine elektrische Fokussierung die Massendispersion

dp = /· da = f-Dyv-y = f-Dw-—-

0 1

1 . dm = -^f-Dw

2 m

und für magnetische Fokussierung

dJ

dp = l-da = I-

dm

ι r> dr -=- = I ■ Dw

J r

Die Massendispersion ist also proportional der Winkeldispersion, die für jedes spezielle Dispersionsfeld auszurechnen ist. Der Dispersionskoeffizient D_r ist definiert durch

_D =■££_ _{= Dw}L· (4a)

^r iir r

bzw.

D, = ^- = Dw-L. dr r

(5 a)

409 534/144

Für ein beliebiges magnetisches Prisma lautet die Beziehung für den Strahleintrittswinkel u_e und für den Strahlaustrittswinkel u_a (vgl. F i g. 1).

sin a_e — sin a_a = —,

(6)

für Variable a_e, a_a, r erhält man durch Differentiation

j j b dr
COS a„ da. — COS a„ αa„ = 0 .

IO

r r

(7)

b '

Für ein Prisma, von dem — a_e, a_a vorgegeben sind, erhält man mittels (1), (2), (7) die Winkeldispersion '⁵

4?ϋ A ¹ ₊ ^dae ^COSa

dr r

, (8)
r cos a_a dr cos a_a

r

da_n

dr

25

die Winkeldispersion des vorhergehenden Prismas ist. Falls keine Vordispersion vorhanden ist, ist d a_e = O zu setzen

Dw =

da_a dr

3°

r cos u„

(9)

Den Ablenkwinkel Φ eines Prismas erhält man zu

Φ = u„ — a„

(10)

und den Ablenkwinkel Φ_Ό eines aus mehreren Prismen 1, 2, 3 ... bestehenden Dispersionsfeldes zu

Φ_η = Φ, + Φ₂ + Φ₃ +

(H)

Das Hintereinanderschalten mehrerer magnetischer Prismen ist keine Variante einer Tandemanordnung von Sektorfeldspektrometern. Hier haben die Vektoren der magnetischen Feldstärke der Prismen alle die gleiche Richtung, und die Ablenkwinkel addieren sich nach Gleichung (11). Bei Tandemanordnung dagegen wechseln die Vektoren ihre Richtung, und der Gesamtwinkel einer Tandemanordnung ist Φ ges. = φ_ι — Φ₂ + φ₃ - + ..., wenn Φ_χ, Φ₂, Φ₃· · · die Ablenkwinkel der einzelnen Sektorfelder sind.

Entsprechend der Erfindung erhält man ein besonders vorteilhaftes Prisma, wenn bei wenigstens einem der magnetischen Prismen der Strahleneintrittswinkel u_e und der Strahlenaustrittswinkel u_a etwa gleich groß sind, womit die vom Lichtprisma her bekannte minimale Strahlablenkung erreicht wird. Das Prisma minimalen Ablenkwinkels Φ min. ist symmetrisch. Für dr = 0 [s. Gleichung (7)] ergibt sich die einfache Beziehung

αα₀ = +ua_e, (12)

und mittels der Formel (8) wird die Winkeldispersion

Dw =

da„

r cosa_a

da„

dr r cosa_a dr

r r

d. h. bei hintereinandergeschalteten Prismen mini-

malen Ablenkwinkels addieren sich einfach die Winkeldispersionen der einzelnen Prismen.

Im Sinne der Erfindung erhält man ein weiteres besonderes Prisma, wenn man den Strahleneintrittswinkel «_e = 0, d. h. einen zur Begrenzung senkrechten Eintritt des Hauptstrahles vorsieht, während der Strahlenaustrittswinkel je nach der Konstruktion des folgenden Strahlenganges zwischen 0 und 90° liegen kann.

Ein Magnetfeld mit parallelen Feldbegrenzungen und senkrechtem Eintritt der Ionen ist an sich schon bekannt (s. Manfred von Ardenne, Tabellen der Elektronenphysik, lonenphysik, Ubermikroskopie 1956, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin. Bd. 1, S. 471). Das dort vorgeschlagene Magnetfeld hat jedoch nicht die Funktion des Dispergierens, wie es der Erfindung entspricht. Demgemäß ist in dem zugehörigen Strahlengang (vgl. F i g. A und B, S.471 a.a.O.) keine Analogie zum lichtoptischen Prisma im Gegensatz zur Erfindung vorhanden. Es ist dort in der F i g. »A. Trennung durch im Magnetfeld stehende Flächen^ die obere Begrenzungsgerade ohne jede physikalische Bedeutung und könnte durch jede andere Begrenzung ersetzt werden. In der F i g. »B. Trennung durch Totalreflexion an der zweiten Magnetfeldgrenze<v ist nicht eine Dispersion, sondern eben die Totalreflexion der benutzte physikalische Effekt.

Bei der Breite der »ausgedehnten homogenen Ionenquelle<s wie es im zugehörigen Text a. a. O. heißt, die ebenso wie die beiden Auffängerplatten gemäß F i g. A und B sich über die doppelte Länge des Ablenkradius erstrecken, kann auch gar nicht an eine Dispersionswirkung des durch zwei parallele Geraden begrenzten Magnetfeldes gedacht sein.

Das der Erfindung entsprechende magnetische Prisma mit senkrechtem Strahleneintritt ist besonders als Anfangsprisma eines aus mehreren Prismen bestehenden Dispersionsfeldes geeignet. Es können auch mehrere Auffänger, die alle außerhalb der Austrittsfeldbegrenzung liegen und bestimmten dispergieren Strahlen zugeordnet sind, angebracht werden (vgl. auch unten F i g. 3b).

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, daß bei einem der magnetischen Prismen der eintretende Hauptstrahl unter einem bestimmten Winkel, der kleiner als 90° ist, zur Eintrittsfeldbegrenzung steht und daß der austretende Hauptstrahl die Austrittsfeldbegrenzung senkrecht zu dieser verläßt. Ein solches Prisma ist besonders als Schlußprisma eines aus mehreren Prismen bestehenden Dispersionsfeldes geeignet.

Die einzelnen Prismen können so angeordnet sein, daß der Strahlengang auf einer Schleife verläuft und sich in einem feldfreien Ort überkreuzt. Dies hat den Vorteil, daß die Vakuumkammer außerordentlich stabil und kompakt konstruiert werden kann. Etwas derartiges ist bekanntlich bei den klassischen 180°-, 90°- und 60°-Massenspektrometern nicht der Fall und führt häufig zu erheblichen Justierschwierigkeiten.

Es können auch zwei spiegelbildlich gleiche magnetische Prismen mit je einem Ablenkwinkel von 90° vorgesehen sein, so daß der Ablenkwinkel des Dispersionsfeldes also 180° beträgt, und die elektrischen Fokussierungslinsen können die gleiche Brennweite / besitzen. Die Winkeldispersion wird in diesem Falle D_w = 4. Dies bedeutet eine erhebliche Steigerung

der Dispersion gegenüber dem klassischen 180°-Spektrometer.

Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zwei spiegelbildlich gleiche magnetische Prismen vorgesehen sind, deren zum Hauptstrahl abgeschrägte Begrenzungen einander zugekehrt sind, und daß als Fokussierungsfelder vor dem ersten und hinter dem zweiten Prisma zwei spiegelbildlich gleiche Magnetfelder mit senkrechtem Strahleneinfall an den Begrenzungen, die _ϊ0 den magnetischen Prismen zugekehrt sind, angeordnet · sind, wobei die Gesamtablenkung — das ist der Ablenkwinkel des Dispersionsfeldes zuzüglich des Ablenkwinkels der magnetischen Fokussierungsfelder — 180° beträgt und die Polschuhteile getrennt oder aus einem Stück hergestellt sind.

Die Anordnung der zur Ablenkung dienenden Mittel kann auch so gewählt sein, daß die Gesamtablenkung 270° beträgt. Dabei können sich die beiden homozentrischen Strahlenbüschel unter 90° überkreuzen. Gemäß den vorhergehenden Ausführungen wird infolge eines Ablenkwinkels von 270° die Dispersion weiter erhöht. Die senkrechte Uberkreuzung der Vakuumkammer bedeutet dabei eine konstruktiv vorteilhafte Lösung.

Einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entsprechen Spektrometer, deren Dispersionsfeld aus drei gleichen Prismen minimalen Ablenkungswinkels von je 90° Ablenkung besteht. Die Fokussierung erfolgt dabei durch zwei elektrische Linsen gleicher Brennweite/, die homozentrischen Büschel überkreuzen sich senkrecht.

Die Winkeldispersion ist hierbei

Dw = 6,

die Massendispersion

dp = 3/

dm

35

40

Ebenso sind Ausführungsformen entsprechend der Erfindung Spektrometer, bei denen zwei spiegelbildlich gleiche, magnetische Prismen mit senkrechtem Strahleneinfall bzw. Strahlenaustritt und ein zwischen diesen Prismen liegendes, drittes Prisma mit minimalem Ablenkwinkel vorgesehen sind. Als Fokussierungsfelder dienen dabei zwei spiegelbildlich gleiche, magnetische Sektorfelder, die sich direkt an die Prismen anschließen, sodaß die Polschuhteile aus einem Stück gefertigt werden können.

Die Gesamtablenkung beträgt 270°. Die fokussierten Strahlenbüschel überkreuzen sich mit 90°. Der Dispersionskoeffizient ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 Dr = 8,34. Der hohe Dispersionskoeffizient bedeutet im Hinblick auf den der klassi- sehen Spektrometer (Dr = 2) einen erheblichen technischen Fortschritt.

Durch Hintereinanderschalten geeigneter magnetischer Prismen oder magnetischer Prismen mit anschließenden fokussierenden magnetischen Sektorfeldern läßt es sich im Sinne der Erfindung auch erreichen, daß das Strahlenbüschel eine Schleife bildet und der Kreuzungspunkt der Schleife sich in einem magnetischen Prisma oder einem magnetischen Sektorfeld befindet. Ein solches Magnetfeld sei hier »Kreuzfeld« genannt; es bietet den Vorteil der zweimaligen Ausnutzung und stellt damit einen ganz besonderen technischen Fortschritt dar.

Mittels Hintereinanderschalten geeigneter Prismen und mittels eines Kreuzfeldes wird in Nutzbarmachung der Erfindung erzielt, daß die Gesamtablenkung 360° beträgt und daß der Hauptstrahl vor der Ablenkung und nach der Ablenkung auf einer Geraden liegen. Durch diese Anordnung läßt sich eine sehr große Steigerung der Dispersion erreichen und bei Ausschaltung der Magnetfelder eine direkte Messung des Gesamtionenstroms zustande bringen.

Mit der Erfindung lassen sich auch Spektrometer schaffen mit einer Gesamtablenkung von 360°, die ein Kreuzfeld enthalten, wobei drei gleiche magnetische Prismen, deren minimaler Ablenkwinkel 90° beträgt, mit einem Ablenkradius r und einer Prismenbreite b = |/2r vorgesehen sind. Die Verwendung von drei gleichen 90°-Prismen, von denen zwei sich gegenüberstehen und das dritte dem Kreuzfeld gegenübersteht, bringt eine vorteilhafte Raumaufteilung mit sich.

An einem Spektrometer des im vorhergehenden Absatz beschriebenen 360°-Typus kann man entsprechend einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung das Kreuzfeld auch so ausbilden, daß es beim ersten Ionendurchlauf als Prisma entsprechend dem Beispiel nach F i g. 3b und beim zweiten Durchlauf als Prisma nach F i g. 3c fungiert. Der Radius der Ionenbahnen ist konstant = r und der Ablenkwinkel im Kreuzfeld 2 · 45°. Die Breite des Kreuzfeldes

ist b = -~- Y2r. Beim Spektrometer dieser Art

(vgl. Fig. 10) fokussieren zwei elektrische Linsen — symbolisch durch die Form einer Linse dargestellt — das Büschel. Die Vakuumkammer, eine Ionenquelle mit Eintrittsspalt sowie eine elektrische Z-Fokussierung (senkrecht zur Papierebene) und ein Ionenauffänger sind skizzenhaft eingezeichnet. Der Dispersionskoeffizient ist Dr = 4 V 2 ——» wobei /1

und /2 beliebig gewählt werden können.

Gegenüber dem im vorstehenden Absatz behandelten Spektrometer kann auch ein solches Spektrometer in Betracht kommen, bei dem das magnetische Kreuzfeld die Breite b = ]/2r und der Ablenkradius im Kreuzfeld den Wert R = 2r hat (vgl. Fig. lila). Um den doppelt größeren Ablenkradius im Kreuzfeld zu erhalten, kann man z. B. den Polschuhabstand am Kreuzfeld auch doppelt so groß machen wie bei den drei Prismen minimaler Ablenkung. Der Dispersionskoeffizient, bezogen auf den Ablenkradius r, ist dann

Dr = 4 Ϋ2~.— Ein Spektrometer, wie im vorhergehenden Absatz beschrieben, d. h., mit einem Kreuzfeld der Breite b = \2r und einem Ablenkradius R = 2r, läßt sich auch so modifizieren, daß beim ersten Ionendurchlauf ein Prisma nach F i g. 3c benutzt wird und beim zweiten Durchlauf ein Prisma nach F i g. 3b. Somit erfolgt der Ioneneintritt in das Kreuzfeld unter 45° gegen die Feldbegrenzung und der Ionenaustritt nach dem zweiten Durchlauf auch unter 45°. Ein solches Spektrometer ist in Fig. 11, Ib, dargestellt. Der Dispersionskoeffizient ist Dr

= 2(3 1/2 + 1)-^-.
r

Man kann an einem 360°-Spektrometer mit drei Stück 90°-Prismen minimaler Ablenkung und einem Kreuzfeld das Kreuzfeld im Sinne der Erfindung auch so ausbilden, daß eine magnetische Fokussierung 1. Ordnung erzielt wird, wie dies dem Ausführungs-

beispiel nach Fig. 12 entspricht mit dem Wert für R = 2 r und einem Dispersionskoeffizient Dr = 4(3 f2 + 1).

Man kann an einem 360°-Spektrometer mit drei Stück 90°-Prismen minimaler Ablenkung und einem Kreuzfeld das Kreuzfeld aber auch so ausgebildet vorsehen, daß eine magnetische Fokussierung 2. Ordnung erzielt wird.

F i g. 13 zeigt ein Beispiel eines solchen Spektrometers mit einem Ablenkradius im Kreuzfeld R = 2r

und einem Dispersionskoeffizienten Dr = —

(3 (/Τ + 1). Es lassen sich aber.im Sinne der Erfindung auch noch andere Verhältnisse der Radien als

— = 2 wählen. Bei einem 360°-Spektrometer mit-·¹⁵

drei Stück 90°-Prismen minimaler Ablenkung kann man das Kreuzfeld als in 1. Ordnung fokussierendes, magnetisches Fokussierungsfeld für beide Ionendurchläufe ausbilden und entsprechend einer besonderen Ausbildungsform der Erfindung den Ablenkradius im Kreuzfeld zu J? = A. r und die Abstände der ein-

zelnen Magnetfelder voneinander — auf dem Hauptstrahl betrachtet — gleich -y r bemessen. Dieses in Fig. 14 beispielsweise dargestellte Spektrometer zeichnet sich erstens durch eine besondere Einfachheit seiner Abmessungen aus und zweitens dadurch, daß die aus dem Kreuzfeld austretenden dispergieren Büschel streng parallele Mittelstrahlen besitzen. Der Dispersionskoeffizient ist Dr = 5(3 ψϊ + I).

Ein 360°-Spektrometer kann nach einer weiteren Ausbildungsform entsprechend der Erfindung auch mit nur zwei Stück 90°-Prismen minimalen Ablenkwinkeis und der Breite b = |/2r ausgeführt sein (vgl. die Felder II und III nach dem Beispiel gemäß Fig. 15). Außer den FeldernII und III sind dabei noch zwei PrismenC und D nach Fig.3b und 3c mit je 45° Ablenkung und einem Ablenkradius R = 2r vorgesehen. Die magnetische Fokussierung 1. Ordnung wird durch ein Kreuzfeld bei einem Ablenkwinkel von 2 · 45° und einem Ablenkradius R = 2r bewirkt. Die Polschuhteile A, C, D können aus einem einzigen Stück gefertigt sein. Durch schwach konvergente Fokussierung beim ersten Strahlendurchgang im Kreuzfeld kann man erreichen, daß sich in der Mitte des Dispersionsfeldes ein Fokussierungspunkt bildet, in dem man eine Begrenzungsblende anbringen kann. Der Dispersionskoeffizient ist Dr = 16.

Man kann ein 360°-Spektrometer der Erfindung entsprechend auch so konstruieren, daß es zwei magnetische Prismen mit je 120° Ablenkung enthält. Zur Erfindung gehören so Spektrometer mit einer Gesamtablenkung von 360°, die ein Kreuzfeld und zwei gleiche magnetische Prismen, deren minimaler Ablenkwinkel 120° bei einem Ablenkradius r und einer Prismenbreite b = \[3r beträgt, aufweisen. Bei einer solchen Anordnung werden nur drei Magnetfelder benötigt, und in der Umgebung des Kreuzfeldes ist besonders viel freier Raum vorhanden.

An einem 360°-Spektrometer, dessen Dispersionsfeld zwei gleiche magnetische Prismen eines minimalen Ablenkwinkels von 120° bei einem Ablenkradius r und einer Breite b = fZr enthält, kann man in einer ebenfalls möglichen Ausführung der Erfindung das Kreuzfeld als magnetisches Prisma mit einer Breite b = -~- /3 r vorsehen (vgl. Beispiel nach

Fig. 16). Der erste Durchlauf der Ionen stellt dabei ein Prisma nach F i g. 3b, der zweite ein Prisma nach F i g. 3c dar. Der Ablenkwinkel im Kreuzfeld ist 2 ■ 60°, der Ablenkradius r. Da im Kreuzfeld keine Fokussierung stattfindet, gehört es zum Dispersionsfeld. Die Fokussierung erfolgt durch zwei elektrische Linsen der Brennweite/1, /2. Der Dispersionskoeffizient ist Dr = 3 fh-£y-

Man kann ein 360°-Spektrometer wie im vorhergehenden Absatz beschrieben auch konstruieren mit dem Unterschied, daß das Kreuzfeld einschließlich des Ablenkradius die doppelten Abmessungen besitzt (vgl. F i g. 17); die Breite wird dabei jetzt b = ]/3r und der Ablenkradius im Kreuzfeld R = 2r. Die Abstände der drei Magnetfelder voneinander — auf dem Hauptstrahl betrachtet — sind -j f3r. Die Fokussierung erfolgt durch zwei elektrische Linsen. Der Dispersionskoeffizient ist Dr = 3 ]fT——

Eine weitere Abänderung ergibt sich, wenn das im vorhergehenden Absatz beschriebene 360°-Spektrometer so ausgeführt wird, daß entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung das Kreuzfeld als magnetisches Fokussierungsfeld, das in 1. Ordnung fokussiert, mit einem Ablenkradius R = 2r und senkrechtem Strahleneintritt sowie Strahlenaustritt ausgebildet ist (vgl. Beispiel nach Fig. 18). Der Dispersionskoeffizient ist dabei Dr = 20.

Bei denjenigen 360°-Spektrometern, bei denen der auf einer einzigen Geraden liegende, in das Kreuzfeld eintretende und wieder austretende Hauptstrahl senkrecht zur Feldbegrenzung liegt, läßt sich im Sinne einer Weiterbildungsform der Erfindung symmetrisch zu dieser Geraden die gleiche magnetische Feldanordnung nochmals anbringen (vgl. Beispiel nach Fig. 19).

Diese Möglichkeit besteht bei Spektrometern mit elektrischer und mit magnetischer Fokussierung, wie diese z. B. nach der F i g. 10; F i g. 11, Ia, F i g. 12, F i g. 14, F i g. 15, F i g. 16, F i g. 17, F i g. 18 gegeben sind. Mit einem solchen magnetischen Doppelsystem kann man positive und negative Ionen in schneller Folge alternativ messen, wenn man die Ionenquelle an eine Wechselhochspannung legt. Diese Möglichkeit der Messung positiver und negativer Ionen bedeutet einen erheblichen technischen Fortschritt.

Entsprechend der Ausführung nach F i g. 19 ist das System nach F i g. 14 in dieser Weise »verdoppelt«. Das entsprechend Fig. 19 dargestellte System hätte — im Maßstab 1: 1 nach der F i g. 19 realisiert — eine um 30% höhere Massendispersion als die klassischen 180°-, 90°-, 60°-Spektrometer bei einem Ablenkradius von 200 mm.

Wie bei magnetischen Sektorfeldsystemen läßt sich auch bei geeigneten Dispersionsfeldern in weiterbildender Vervollkommnung der Erfindung zur Unterdrückung des Energieunschärfefehlers ein elektrisches Radialfeld vorschalten. Entsprechend Fig.20 ist beispielsweise ein Dispersionsfeld gemäß Fig. 10 mit einem elektrischen Radialfeld kombiniert. Diese ebenfalls erfindungswesentliche Kombination führt zu einer Erhöhung des Auflösungsvermögens bei kleineren Magnetfeldern in der Kategorie der hochauflösenden spektroskopischen Geräte und bedeutet

daher gleichfalls einen beachtlichen technischen Fortschritt.

Der Erfindung zugehörig ist.-ferner ein 360°-Spektrometer, welches vier gleiche magnetische Prismen mit einem minimalen Ablenkwinkel jedes dieser Prismen von 0 = 72° aufweist (vgl. F i g. 21) und wobei ein magnetisches Kreuzfeld vorhanden ist. Dabei kann dieses Kreuzfeld als magnetisches Prisma nach den Vorbildern analog der Fig. 11, Ia und Ib, oder auch als magnetisches Fokussierungsfeld mit einer Ablenkung von 2 ■ 36° ausgebildet sein.

Es gehört ebenso schließlich zur Erfindung auch ein 360°-Spektrometer, welches fünf gleiche magnetische Prismen mit einem minimalen Ablenkwinkel jedes dieser Prismen von Φ = 60° aufweist, und daß dabei ein magnetisches Kreuzfeld angebracht ist. Dabei kann dieses Kreuzfeld als magnetisches Prisma nach den Vorbildern analog der Fig. 11, Ia und Ib oder auch als magnetisches Fokussierungsfeld mit einer Ablenkung von 2 · 30° ausgebildet sein.

In den Zeichnungen, auf deren Figuren oben schon verschiedentlich Bezug genommen wurde, sind Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung in verschiedener Art und in speziellen Weiterbildungsformen beispielsweise wiedergegeben. Dabei zeigt in nachstehender Zusammenfassung im einzelnen:

F i g. 1 eine Schema-Ansicht zur Definition des magnetischen Ionenprismas,

F i g. 2 ein Beispiel eines Dispersionsfeldes,

F i g. 3 drei spezielle magnetische Prismen,

F i g. 4 ein Einzelprisma mit elektrischer Fokussierung,

Fig. 5 eine Prismenanordnung mit zweiteiligem Magnetsystem bei einer Gesamtablenkung von 180° mit elektrischer Fokussierung und einem Ablenkradius r,

F i g. 6 eine Prismenanordnung mit Gesamtablenkung von 180°, mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung und mit einem Ablenkradius r,

F i g. 7 eine Prismenanordnung mit Gesamtablenkung von 180°, mit magnetischer Fokussierung 2. Ordnung und mit einem Ablenkradius r,

F i g. 8 eine Prismenanordnung mit Gesamtablenkung von 270°, mit elektrischer Fokussierung und mit einem Ablenkradius r,

F i g. 9 eine Prismenanordnung mit Gesamtablenkung von 270° und mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung bei einem Ablenkradius r,

F i g. 10 eine Prismenanordnung mit einer Gesamtablenkung von 360°, mit elektrischer Fokussierung und einem Ablenkradius r,

Fig. 11 eine Prismenanordnung mit einer Gesamtablenkung von 360°, mit elektrischer Fokussierung und mit zwei Ablenkradien R, r und R ='Xr,

Fig. 12 eine Prismenanordnung gleichfalls wieder mit einer Gesamtablenkung von 360°, aber mit einer magnetischen Fokussierung 1. Ordnung und mit Ablenkradien entsprechend F i g. 11,
Fig. 13 gleichfalls eine Prismenariordnung mit Gesamtablenkung 360°, jedoch mit einer magnetischen Fokussierung 2. Ordnung und wieder mit zwei Ablenkradien entsprechend Fig. 11,. ■ ■

Fig. 14 eine Prismenanordnung mit Gesamtablenkung von 360°, mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung und mit zwei Ablenkradien R, r, wobei R = 5/2r ist,

Fig. 15 eine Prismenanordnung mit 360° Gesamtablenkung, mit magnetischer Fokussierung^; l.^!-Ordnung und mit zwei Ablenkradien R, r, wobei R = 2r ist,

Fig. 16 eine Prismenanordnung gleichfalls wieder mit einer Gesamtablenkung von 360°, mit elektrischer Fokussierung und mit einem Ablenkradius r,

Fig. 17 eine Prismenanordnung mit 360° Gesamtablenkung, mit elektrischer Fokussierung und mit zwei Ablenkradien R, r, wobei R = 2r ist,

Fig. 18 eine Prismenanordnung mit Gesamtablenkung von 360°, mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung und mit zwei Ablenkradien R, r, wobei R = 2r ist,

F i g. 19 eine Prismenanordnung, die eine Verdoppelung des Systems nach F i g. 14 darstellt,

F i g. 20 eine Prismenanordnung mit Energiefokussierung und

F i g. 21 eine Prismenanordnung wiederum mit einer Gesamtablenkung von 360°, mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung und mit zwei Ablenkradien R, r, wobei R=R=I l/4r ist.

Im besonderen ist zu den einzelnen Figuren erläuternd noch folgendes zu sagen:

Nach F i g. 1 sind die dem magnetischen Felde zugewandten Seiten der Begrenzungsgeraden (s. Pfeile in der Draufsicht) einander zugekehrt. Es ist der allgemeine Fall eines magnetischen Ionenprismas dargestellt.

In F i g. 2 handelt es sich um den allgemeinen Fall eines aus mehreren magnetischen Prismen bestehenden Dispersionsfeldes mit dem Ablenkwinkel Φ_Β. Die Breiten b_l2 3· · ·, die Ablenkradien T₁^_-3..., die Ablenkwinkel 0j 2,3 ··· können untereinander verschieden sein. ··· ■ ·

Nach F i g. 3a ist der Eintrittswinkel a_e = Austrittswinkel a; damit wird der Ablenkwinkel ein Minimum Φ = Φ min. Entsprechend der F i g. 3b ist der Eintrittswinkel a_e = 0. Es ist hierbei also ein senkrechter Strahleintritt vorhanden.

Bei F i g. 3c ist der Austrittswinkel a_a = 0, d. h., es liegt ein senkrechter Strahlaustritt vor.

Bei F i g. 4 ist ein Dispersionsfeld DF gegeben. Das Einzelprisma hat Φ min.; ferner hat das Fokussierungsfeld FF zwei elektrische Linsen gleicher Brennweite/.

Bei der Anordnung nach F i g. 5 ist ein 2teiliges Magnetsystem vorhanden. Das Dispersionsfeld DF hat zwei gleiche Prismen Φ min. = 90°; das Fokussierungsfeld FF hat zwei elektrische Linsen gleicher Brennweite/. Für / = r z. B. wird der Dispersionskoeffizient Dr — 4.

Die Anordnung nach F i g. 6 entspricht einem 4teiligen oder, falls A, C bzw. B, D miteinander verbunden sind, einem 2teiligen Magnetsystem. Dabei wird das Dispersionsfeld DF gebildet, durch ein PrismaA nach Fig. 3b und durch ein Prisma B

nach F i g. 3c. Hierbei ist b =-γ V~2r. Das Fokussierungsfeld FF hat zwei magnetische Sektorfelder 1. Ordnung C und D. Der Dispersionskoeffizient ist Dr = 4. Bei dem zweiteiligen Magnetsystem nach F i g. 7 besteht das Dispersionsfeld DF aus einem Prisma A nach Fi g. 3b und aus einem Prisma B nach F i g. 3c; dabei ist b =-5- |/Tr, die Fokussierung ist magnetisch und 2. Ordnung: tg = i- |/2; a = 35°16'; Dr

- ² (2

2) = 2,3.

409 534/144

Die Ausführung nach F i g. 8 hat ein 3teiliges Magnetsystem. Das Dispersionsfeld DF wird gebildet durch drei gleiche Prismen Φ min. = 90°; b = \[2r. Das Fokussierungsfeld FF hat zwei elektrische Linsen gleicher Brennweite /. Dabei wird z. B. für / = b = /Tr; Dr = 6/2" = 8,5.

Nach F i g. 9 ist wiederum ein 3teiliges Magnetsystem gegeben.

Das Dispersionsfeld DF besteht in diesem Fall aus einem Prisma £ mit Φ min. = 105°, aus einem Prisma A nach F i g. 3b und einem Prisma B nach F i g. 3c. Das Fokussierungsfeld FF hat zwei magnetische Sektorfelder C und D. Dr .ist = 8,34.

Nach F i g. 10 ist ein 4teiliges Magnetsystem I, II, III, IV gegeben. Das Dispersionsfeld DF hat dabei drei Prismen mit Φ min. = 90° und zwei Prismen im Kreuzfeld nach F i g. 3b bzw. F i g. 3c. Das Fokussierungsfeld FF hat zwei elektrische Linsen gleicher Brennweite/. Dabei ist z.B. für /1 = /2 = / = 2r, und es wird Dr = SfT= 11,3.

Die Ausführung nach F i g. 11 hat ebenfalls ein 4teiliges Magnetsystem I, II, III, IV. Dabei sind zwei Ausführungen des Kreuzfeldes eingezeichnet, nämlich Ia und Ib. Die Ausführung Ia hat durchgezogene Kontur und senkrechten Strahlein- und -austritt. Für das Dispersionsfeld DF sind dabei vorhanden drei Prismen mit Φ min. = 90° und dem Ablenkradius r sowie zwei Prismen im Kreuzfeld nach Fig.3b und 3c, wobei R — 2r ist. Das Fokussierungsfeld FF hat zwei elektrische Linsen gleicher Brennweite /. Zum Beispiel für /l = /2 = / = 2r wird hierbei Dr = 8 1/2 = 11,3. Die Ausführung Ib hat gestrichelte Kontur. Der Strahlein- und -austritt erfolgt dabei unter 45°. Das Dispersionsfeld DF ist wie bei Ia, jedoch liegen die Prismen im Kreuzfeld in umgekehrter Reihenfolge. Die Ionen treffen zuerst auf ein Prisma nach F i g. 3c und bei ihrem zweiten Durchlauf auf ein Prisma nach F i g. 3b. Auch das Fokussierungsfeld FF ist dabei wie nach Ia. Zum Beispiel für /1 = /2 = / = 2r wird Dr = 4{3fJ+ 1) = 21.

Auch die Ausführungsform nach Fig. 12 hat ein 4teiliges Magnetsystem I, II, III, IV. Das Dispersionsfeld DF hat drei Prismen mit Φ min. = 90° und mit Ablenkradius r. Das Fokussierungsfeld FF ist wiederum ein Kreuzfeld mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung: R = 2r. Dr = 4(31/2 + 1) = 21. Für ein Spektrometer, das nach Fig. 12 im Maßstab 1:1 realisiert wird, sind die Ionenbüschel der Massenzahlen 79 und 80 eingezeichnet.

Auch Fig. 13 entspricht einer Ausführung mit einem 4teiligen Magnetsystem I, II, III, IV. Auch in diesem Fall hat das Dispersionsfeld DF drei Prismen Φ min. = 90° bei einem Ablenkradius r. Das Fokussierungsfeld FF ist dabei aber ein Kreuzfeld mit magnetischer Fokussierung 2. Ordnung bei R

= 2r; α = arc tgi-; Dr =|-(31/2 + 1) = 14. ^R=;lT^r-

Nach F i g. 14 ist ebenfalls wieder eine Anordnung Bezüglich der Beschreibung und der Zeichnungsmit einem 4teiligen Magnetsystemi, II, III, IV ge- 60 figuren ist noch folgendes zu beachten:
geben. Auch das Dispersionsfeld DF hat wieder drei Es ist bei den meisten Systemen der Dispersions-Prismen mit Φ min. = 90° und mit Ablenkradius r. koeffizient Dr angegeben. Man erhält die Massen-Das Fokussierungsfeld FF ist aber ein Kreuzfeld mit dispersion dp mittels des Dispersionskoeffizienten

lenbüschel zueinander parallel sind. Es sind ferner die Ionenbüschel der_ Massenzahlen 79, 80, 81 eingezeichnet; Dr = 5(3 ]/2 + 1) = 26.

Nach Fig. 15 ist wieder ein 3teiliges Magnetsystem I, II, III, vorhanden. Das Dispersionsfeld DF hat zwei Prismen mit Φ min. = 90° bei Ablenkradius r sowie zwei Prismen C und D nach Fig.3b und 3c; R = 2 r. Das Fokussierungsfeld FF ist das Kreuzfeld A mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung bei R = 2r und Dr = 16.

In F i g. 16 ist ebenfalls eine Ausführung mit 3teiligem Magnetsystem I, II, III, behandelt, wobei das Dispersionsfeld DF zwei Prismen Φ min. = 1^0° und im Kreuzfeld zwei Prismen nach F i g. 3b und 3c hat. Der Ablenkradius ist r. Das FokussierungsfeldFF hat in diesem Fall zwei elektrische Linsen der Brennweite/l, /2. Zum Beispiel für/l = /2 = / = 2r wird dabei Dr = 6/3 = 10.

Auch nach Fig. 17 ist eine Ausführung mit einem 3teiligen Magnetsystem I, II, III gegeben. Dabei hat das Dispersionsfeld DF zwei Prismen Φ mit min. = 120° und Ablenkradius r sowie im Kreuzfeld zwei Prismen nach Fig. 3b und 3c, R — 2r. Das Fokussierungsfeld FF ist mit zwei elektrischen Linsen der Brennweite /1, /2 ausgestattet. Zum Beispiel für /1 = /2 = 2r wird dabei Dr = 6β = 10.

In F i g. 18 ist abermals ein 3teiliges Magnetsystemi, II, III behandelt. Dabei hat das Dispersionsfeld DF zwei Prismen Φ min. = 120° und Ablenkradius r. Das Fokussierungsfeld FF hat ein Kreuzfeld mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung, R = 2r und Dr = 20. Es ist in diesem Fall noch eine Vorrichtung zur Aufnahme des Spektrums auf eine Fotoplatte eingezeichnet.

Nach F i g. 19 ist eine Anordnung mit einem 7teiligen Magnetsystem I bis VII gegeben. Es ist dabei eine spiegelsymmetrische Verdoppelung des Systems nach F i g. 14 vorhanden zwecks wechselweiser Messung positiver und negativer Ionen. Die rechte Schleife, ausgezogen eingezeichnet, stellt die Bahn der positiven Ionen dar, die linke Seite, gestrichelt eingezeichnet, gibt die negativen Ionen wieder.

Die Anordnung nach F i g. 20 gibt ein Beispiel einer Energiefokussierung mittels eines einem 360°- Dispersionsfeld vorgeschalteten elektrischen Radialfeldes wieder. Es sind die Büschel eines Ions der Energien U + dU und U — dU eingezeichnet. Aus Gründen der Darstellung ist das Radialfeld unmaßstäblich klein gezeichnet. Es ist lediglich das magnetische Kreuzfeld des Dispersionsfeldes eingezeichnet.

Schließlich entspricht F i g. 21 noch einem 5teiligen Magnetsystem I bis V mit einem Dispersionsfeld DF von vier Prismen bei Φ min. = 72° und Ablenkradius r. Das Fokussierungsfeld FF ist ein Kreuzfeld mit magnetischer Fokussierung 1. Ordnung bei

magnetischer Fokussierung 1. Ordnung mit R = y r..

Es ist dabei noch die Besonderheit gegeben, daß die Mittelstrahlen der austretenden, dispergierten Strah- dp = -x- Dr ■ r

dm

Darin ist r der Ablenkradius des Prismas Φ min. in dem betrachteten realisierten System.

Beispiel

Das Spektrometer F i g. 18 mit Dr — 20 sei in doppelter Größe wie in der Fig. realisiert, d.h., es ist dann r = 80 mm. Dann wird erhalten die Massendispersion für dieses Instrument zu:

dp = — Dr ■ r

= 800 mm

dm m

Zum Vergleich dient ein klassisches ^"-Spektrometer mit einem Ablenkradius r = 300 mm, Dr = 2. Dieses hat eine Massendispersion.

■ ■ r -

300 mm

dm m

dm

2 · 300 mm

Die oben beschriebenen, in gleich große magnetische Winkelbereiche aufgeteilten 360°-Spektrometer ergeben zusammengefaßt eine Aufstellung folgender Art, wobei das Kreuzfeld als doppelt durchlaufen natürlich mitzählt:

1. 3 · 120°, Fig. 16,17,18,

2. 4 ■ 90°, F i g. 10, 11, 12, 13, 14, 15, 19,

3. 5-72°, Fig. 21,

4. 6 · 60°.

Diese Aufteilung läßt sich noch fortsetzen. Derartige Spektrometer sind der Erfindung zugehörig. Es sind auch aus magnetischen Prismen kombinierte Dispersionsfelder möglich, die in ungleiche Winkelbereiche aufgeteilt sind, die unterschiedliche Ablenkradien und unterschiedliche Ein- und Austrittswinkel besitzen (s. z.B. Fig.2). Auch diese gehören zum Gegenstand der Erfindung.

Ferner kann man an jedes magnetische Kreuzfeld, sofern es als doppelt durchlaufenes Prisma ausgebildet ist (wie z.B. die Kreuzfelder Fig..l0, 11, 16, 17), noch weitere Prismen anschließen und damit den Gesamtablenkwinkel über 360° hinaus noch wesentlich vergrößern, womit gleichzeitig die Dispersion erhöht wird. Auch solche Dispersionsfelder liegen im Rahmen der Erfindung.

Hierzu 13 Blatt Zeichnungen

Claims (30)

Patentansprüche:

1. Impulsmassenspektrometer mit einer Ionenquelle, in der ein aus mehreren lonensorten mögliehst gleicher kinetischer Energie bestehendes Ionenbüschel seinen Ursprung hat, ferner mit einem aus mindestens zwei nacheinander durchlaufenen magnetischen Feldern gleicher Richtung bestehenden Analysator, durch den das Ionenbüschel in so viele einzelne Bildstrahlenbüschel zerlegt wird, wie es nach Impulsen unterschiedene lonensorten enthält, und schließlich mit Mitteln zur Messung bzw. zum Nachweis der Ionenströme der einzelnen Bildstrahlenbüschel, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder des Analysators homogen sind und daß wenigstens eines dieser Felder, im folgenden auch Prisma genannt, eine geradlinige Eintrittsbegrenzung und eine zu dieser parallele geradlinige Austrittsbegrenzung hat.

2. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder vor und hinter dem magnetischen Analysator ein elektrisches Fokussierungsfeld angeordnet ist.

3. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Prismen zwischen zwei fokussierenden, magnetischen Sektorfeldern liegen, von denen eines senkrecht zu seiner Begrenzung austretende, parallele Ionenstrahlen dem oder den Prismen zustrahlt, während das andere die aus dem oder den Prismen kommenden senkrecht zu seiner Feldbegrenzung eintretenden, parallelen Ionenstrahlen auf einen Auffänger od. dgl. fokussiert.

4. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens einem der magnetischen Prismen der Strahleneintrittswinkel (<L_e) und der Strahlenaustrittswinkel («J etwa gleich groß sind (F i g. 3a).

5. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem der magnetischen Prismen der eintretende Hauptstrahl senkrecht zur Eintrittsfeldbegrenzung steht.

6. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem der magnetischen Prismen der eintretende Hauptstrahl unter einen bestimmten Winkel, der kleiner als 90° ist, zur Eintrittsfeldbegrenzung steht und daß der austretende Hauptstrahl die Austrittsfeldbegrenzung senkrecht zu dieser verläßt (F i g. 3c).

7. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Prismen so angeordnet sind, daß der Strahlengang auf einer Schleife verläuft und sich an einem feldfreien Ort überkreuzt (z. B. F i g. 8 und 9).

8. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei spiegelbildlich gleiche magnetische Prismen mit je einem Ablenkwinkel von 90° vorgesehen sind, die Gesamtablenkung somit 180° beträgt und die elektrischen Fokussierungslinsen die gleiche Brennweite / besitzen (F i g. 5).

9. Impulsmassenspektrometer nach einem der . Ansprüche 1, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei spiegelbildlich gleiche magnetische Prismen (F i g. 3b und 3c) vorgesehen sind, deren zum Hauptstrahl abgeschrägte Begrenzungen einander zugekehrt sind (A und B in den Beispielen F i g. 6 und 7), und daß als Fokussierungsfelder vor dem ersten und hinter dem zweiten Prisma zwei spiegelbildlich gleiche Magnetfelder (C und D in den Beispielen F i g. 6 und 7) mit senkrechtem Strahleneinfall an den Begrenzungen, die den magnetischen Prismen zugekehrt sind, angeordnet sind, wobei die Gesamtablenkung — das ist der Ablenkwinkei des Dispersionsfeldes zuzüglich des Ablenkwinkels der magnetischen Fokussierungsfelder — 180° beträgt und die Polschuhteile jeweils eines Prismas und eines Fokussierungsfeldes (A, C bzw. B, D) getrennt (F i g. 6) oder aus einem Stück (F i g. 7) hergestellt sind.

10. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der zur Ablenkung dienenden Mittel so gewählt ist, daß die Gesamtablenkung 270" beträgt.

11. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche magnetische Prismen mit je einem Ablenkwinkel von 90° vorgesehen sind und die elektrischen Fokussierungslinsen die gleiche Brennweite / besitzen (F i g. 8).

12. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei spiegelbildlich gleiche magnetische Prismen mit senkrechtem Strahleneinfall bzw. Strahlenaustritt (F i g. 3b bzw. 3c und im Beispiel F i g. 9, Teile A und B) und ein zwischen diesen Prismen liegendes drittes Prisma mit minimalem Ablenkwinkel (F i g. 3a und Beispiel

■ F i g. 9, Teil E) vorgesehen sind und daß als Fokussierungsfelder zwei spiegelbildlich gleiche, an die äußeren Prismen (A, B) direkt anschließende Magnetfelder (Beispiel Fig. 9, Teile C und D) dienen.

13. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenbüschel eine Schleife bildet und sich innerhalb eines Magnetfeldes, das ein magnetisches Prisma oder ein magnetisches Fokussierungsfeld sein kann, überkreuzt und daß dieses magnetische Feld — hier magnetisches Kreuzfeld genannt — infolge eines zweimaligen Durchlaufes des Ionenbüschels hinsichtlich seiner dispergierenden oder fokussierenden Wirkung zweimal ausgenutzt ist.

14. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtablenkung — das ist der Ablenkwinkel des oder der Prismen zuzüglich des Ablenkwinkels gegebenenfalls vorhandener magnetischer Fokussierungsfelder — so gewählt ist, daß sie 360° beträgt, und daß ein solches Strahlensystem gebildet ist, daß der Hauptstrahl vor der 360°-Ablenkung und der Hauptstrahl nach der 360°-Ablenkung auf einer Geraden liegen.

15. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 4, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche magnetische Prismen mit dem Ablenkradiusr, der Breitet = \J2r und je einem Minimalablenkungswinkel '/>= 90° und ein magnetisches Kreuzfeld vorgesehen sind.

16. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld

als magnetisches Prisma der Breite ^ flr aus-

gebildet ist, der erste Eintritt und der letzte Austritt des Hauptstrahles senkrecht zu dessen Feldbegrenzung steht, in allen Magnetfeldern der Ablenkradius des Hauptstrahles konstant = r ist und die elektrischen Fokussierungslinsen gleiche oder unterschiedliche Brennweiten /1, / 2 haben (Beispiel F i g. 10).

17. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Prisma der Breite flr■ ausgebildet ist, der Ablenkradius im magnetischen Kreuzfeld R = 2r doppelt so groß ist wie in den übrigen magnetischen Feldern, und daß der Hauptstrahl senkrecht zur Feldbegrenzung in das Kreuzfeld ein- und austritt, und die elektrischen Fokussierungslinsen gleiche oder unterschiedliche Brennweiten /1, /2 haben (Beispiel 11, durchgezogene Kontur des Kreuzfeldes).

18. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Prisma der Breiteb = flr ausgebildet ist, der Ablenkradius im magnetischen Kreuzfeld R = 2 r doppelt so groß ist wie in den übrigen magnetischen Feldern und daß der Hauptstrahl unter dem Winkel von 45° in das Kreuzfeld ein- und austritt (Beispiel Fig. 11, gestrichelte Konturen des Kreuzfeldes).

19. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 13,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als "magnetisches Fokussierungsfeld, das in 1. Ordnung fokussiert, mit einem Ablenkradius R = 2r und senkrechtem Strahleneintritt und Strahlenaustritt ausgebildet ist (F i g. 12).

20. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Fokussierungsfeld, das in 2. Ordnung fokussiert, mit einem Ablenkradius R = 2r ausgebildet ist, wobei der Ein- und Austrittswinkel des Hauptstrahles in die Feldbegrenzung des

Kreuzfeldes arctg -=- ist und die Fokussierungspunkte von der Feldbegrenzung den Abstand |r haben(Fig. 13).

21. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Fokussierungsfeld, das in 1. Ordnung

fokussiert, mit einem Ablenkradius R = -y r ausgebildet ist und der Hauptstrahl senkrecht zur Feldbegrenzung des Kreuzfeldes ein- und austritt, und daß die Abstände der Fokussierungs-

punkte von der Feldbegrenzung -y r und die vier Abstände der vier Magnetfelder voneinander, auf dem Hauptstrahl gemessen, -~- r betragen

(Fig.14).

22. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5, 6, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche magnetische Prismen mit minimalem Ablenkwinkel (F i g. 3a) Φ = 90°, Ablenkradius r (Felder II und III in F i g. 15)

45 und zwei spiegelbildlich gleiche magnetische Prismen mit senkrechtem Strahleneintritt bzw. Strahlenaustritt (F i g. 3b und 3c, Teile C und D im Beispiel Fig. 15) vorgesehen sind und daß das Kreuzfeld als magnetisches Fokussierungsfeld, das in 1. Ordnung fokussiert, ausgebildet ist (Teil A im Beispiel F i g. 15), wobei das Fokussierungsfeld und die beiden letzteren Prismen zusammen einen Ablenkwinkel von 180° und einen Ablenkradius R = 2 r haben und vorzugsweise aus einem Stück hergestellt sind (Beispiel F i g. 15).

23. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 4, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei gleiche magnetische Prismen mit dem Ablenkradius r, der Breite b = |/3r und je einem Minimalablenkwinkel Φ = 120° aufweist und daß ein magnetisches Kreuzfeld angebracht ist.

24. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6, 13, 14 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Prisma der Breite y fir ausgebildet ist, der Hauptstrahl senkrecht zur Feldbegrenzung in das Kreuzfeld ein- und austritt, in allen Magnetfeldern der Ablenkradius des Hauptstrahles konstant = r ist und die elektrischen Fokussierungslinsen gleiche oder unterschiedliche Brennweiten /1, /2 haben (Beispiel F ig. 16).

25. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6, 13, 14 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Prisma der Breite |/3~ ■ r ausgebildet ist, der Ablenkradius im magnetischen Kreuzfeld R = 2r doppelt so groß ist wie in den übrigen magnetischen Feldern und daß der Hauptstrahl senkrecht in das Kreuzfeld ein- und austritt und die elektrischen Fokussierungslinsen gleiche oder unterschiedliche Brennweiten/1, /2 haben (Beispiel F ig. 17).

26. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 13, 14 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Kreuzfeld als magnetisches Fokussierungsfeld, das in 1. Ordnung fokussiert, mit einem Ablenkradius R = 2r und senkrechtem Strahleneintritt und Strahlenaustritt ausgebildet ist (Beispiel F i g. 18).

27. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1,13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zu der Geraden, auf welcher der in das Kreuzfeld senkrecht zur Begrenzung eintretende Hauptstrahl und der aus dem Kreuzfeld senkrecht zur Begrenzung austretende Hauptstrahl gemeinsam liegen, nochmals die gleiche Magnetfeldanordnung spiegelbildlich angebracht ist, und somit positive und negative Ionen, die wechselweise von derselben Ionenquelle produziert und in das Kreuzfeld eingestrahlt werden, mittels desselben Auffängers od. dgl. und mit derselben Nachweiseinrichtung ohne Umpolung des Magnetfeldes — also z. B. mit einem Permanentmagneten als Analysator — meßbar sind (Beispiel F ig. 19).

28. Impulsmassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Geschwindigkeitsfokussierung dem Analysator ein elektrisches Radialfeld vorgeschaltet ist (siehe z. B. F i g. 20).

29. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß es vier gleiche magnetische Prismen mit einem Ablenkradius r und je einem Minimalablenkwinkel Φ = 72° aufweist (siehe z. B. F i g. 21) und daß ein magnetisches Kreuzfeld mit einer Ablenkung von 2 · 36° und einem Ablenkradius R > r vorgesehen ist, ein Kreuzfeld, das entweder als von den Ionen doppelt durchlaufenes Prisma (wie z. B. die beiden Kreuzfelder in F i g. 11, Ia und Ib) oder als magnetisches Fokussierungsfeld wie z. B. in F i g. 21 ausgebildet ist.

30. Impulsmassenspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß es fünf gleiche magnetische Prismen mit einem Ablenkradius r und je einem Minimalablenkwinkel Φ = 60° aufweist und daß ein magnetisches Kreuzfeld mit einer Ablenkung von 2 · 30° und einem Ablenkradius R>r vorgesehen ist, ein Kreuzfeld, das entweder als von den Ionen doppelt durchlaufenes Prisma (wie

z. B. die beiden Kreuzfelder in F i g. 11, Ia und Ib) oder als magnetisches, doppelt durchlaufenes Fokussierungsfeld ausgebildet ist.

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