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Massenspektrometer
Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer für Gase bei niedrigen Drucken, in welchem ein Elektronenbündel in der Richtung einesstatischen homogenen Magnetfeldes zwischen zwei gegenseitig parallele und elektrisch verbundene Platten geschossen wird, wobei im Raume zwischen diesen Platten ein elektrisches Hochfrequenzfeld senkrecht zum Magnetfeld zwischen zwei ebenfalls parallelen Platten erzeugt wird, wobei zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes ringförmige Zwischenelektroden angeordnet sind und wobei nahe an einer der Hochfrequenzelektroden eine Sammelelektrode angeordnet ist für solche Ionen, die unter dem Einfluss der verschiedenen Felder Bahnen mit zunehmendem Radius beschrei- ben.
Bei einer der ältesten Ausführungen des oben angegebenen Massenspektrometers, welches auch unter dem Namen Omegatron bekannt ist, sind die Hochfrequenzplatten Kollektorelektroden.
Zwischen beiden Platten ist auch noch ein schwaches statisches Feld vorhanden, das dazu dient, nicht- resonante Ionen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes und des elektrischen Hochfrequenzfeldes abzulenken. Gegebenenfalls können beide Hochfrequenzplatten gesondert an negative Spannungen in bezug auf die Feldverteilungsringe gelegt werden.
Bei einer andern Ausführung ist eine der Feldverteilungselektroden gleichzeitig Kollektorelektrode für die resonanten Ionen.
Es ist auch eine Konstruktion bekannt, die keine Feldverteilungsringe aufweist, bei der aber die beiden Platten, zwischen denen das ElektronenbUndel beschleunigt wird, zusammen mit zwei senkrecht darauf stehenden Platten den Hochfrequenzraum umschliessen. Manchmal wird an diese vier Platten gemeinsam eine negative Spannung von weniger als 1 Volt angelegt in bezug auf die Hochfrequenzplatten (wegen Empfindlichkeitsschwankungen des Omegatrons).
Weiter ist noch eine Konstruktion bekannt, die entweder Feldverteilungsringe aufweist oder Seiten-
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Es ist auch noch beschrieben, die Hochfrequenzplatten U-förmig auszubilden.
Es hat sich herausgestellt, dass mit verschiedenen Typen von Omegatrons keine reproduzierbaren Ergebisse erreicht werden können, besonders wenn man den Partialdruck von den Komponenten eines Gasgewichtes bestimmen muss.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung zu schaffen, welche reproduzierbare Messungen gestattet.
In einem Massenspektrometer für Gase bei niedrigen Drücken, in welchem ein Elektronenbündel in der Richtung eines statischen homogenen Magnetfeldes zwischen zwei gegenseitig parallele und elektrisch verbundene Platten geschossen wird, wobei im Raume zwischen diesen Platten ein elektrisches Hochfrequenzfeld senkrecht zum Magnetfeld zwischen zwei ebenfalls parallelen Platten erzeugt wird, wobei zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes ringförmige Zwischenelektroden angeordnet sind und wobei nahe an einer der Hochfrequenzelektroden eine Sammelelektrode angeordnet ist für solche Ionen, welche unter dem Einfluss der verschiedenen Felder Bahnen mit zunehmendem Radius beschreiben, und wobei an die Elektroden, welche den Hochfrequenzraum umschliessen ;
ein schwach positives Potential gelegt wird
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- 2-Nr. 210178 in bezug auf die Hochfrequenzplatten, sind gemäss der Erfindung zwei gegenseitig parallele Platten par- allel zurRichtung desMagnetfeldes undsenkrecht zu denFeIdverteilungsringen nahe denEnden dieser Ringe angeordnet, wobei an diese Platten eine negative Spannung von einigen Malen zehn Volt in bezug auf die Hochfrequenzplatten gelegt wird, derart, dass der Ionenstrom zur Kollektorelektrode, sowohl für leichte als auch für schwere Ionen maximal ist.
Die Erfindung baut weiter auf der Einsicht, dass ein positives elektrostatisches Feld zwischen den Hochfrequenzplatten und den Feldverteilungsringen, gegebenenfalls den Platten, wodurch das Elektronenbündel ein-und austritt, in Ebenen parallel zur Richtung des Magnetfeldes eine Bewegung der Ionen in der Richtung der Kollektorelektrode begünstigt, während dieses Feld in Ebenen senkrecht zum Magnetfeld eine Bewegung der Ionen zu den übrigen Elektroden verursacht. Letztgenanntes ungünstiges Feld wird durch die Anwesenheit der beiden Seitenplatten auf negativem Potential nicht nur vermieden, sondern darüber hinaus wird den Ionen eine Hilfe in ihrer Bewegung zur Kollektorelektrode gegeben, wodurch Störeffekte, wie Gasladungen und elektrische Aufladungen der Elektroden, die Ionenbahnen nahezu nicht mehr beeinflussen können.
Die Erfindung wird an Hand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert, in welchen die Fig. 1-3 drei zueinander senkrechte Schnitte durch ein Massenspektrometer gemäss der Erfindung darstellen, während die Fig. 4 und 5 die Schaltung angeben und Fig. 6 den relativen Ionenstrom zum Kollektor in Abhängigkeit von der negativen Spannung an den Seitenplatten, u. zw. für Ionen von zwei verschiedenen Massen darstellt.
In den Fig. 1- 3 ist der Kolben des Massenspektrometers mit 1 angedeutet. Im Boden des Kolbens sind eine Anzahl Stromdurchftihrungen angeordnet. Das Elektrodensystem ist mit Hilfe von Stutzdrähten auf diesen Durchführungen aufgebaut. Der Boden hat einen rohrförmigen Ansatz 2, worin die Stromzuführung zur Kollektorelektrode verläuft. Der Kathodenglühdraht ist mit 3 bezeichnet. Dieser befindet sich innerhalb einer Schirmelektrode 4 mit einer Öffnung für den Elektronenstrahl. Eine Beschleunigungs-und Fokussierelektrode5 ist vor der Öffnung im Schirm 4 aufgestellt. Die beiden mit Öffnungen für den Elek- tronenstrahl versehenen Platten 6 sind mit einer der Hochfrequenzplatten 7 verbunden. Die andere Hochfrequenzplatte trägt die Nummer 8.
Die Platte 7 weist eine schmale Öffnung 9 auf, durch die die Kollek-
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von einer Schirmkonstruktion 13 umgeben.
In der beiliegenden Zeichnung sind insgesamt vier Feldverteilungsringe 12 angeordnet, es können jedoch auch sechs oder acht angeordnet werden. Die Sammelelektrode 14 fUr die Elektronen befindet sich hinter einer der Platten 6. Die Seitenplatten gemäss der Erfindung tragen die Nummer 15.
Vom Kolben führt ein Rohr zum Gerät, von dessen Inhalt die Gaszusammensetzung bestimmt werden soll.
Die Richtung des Magnetfeldes ist in Fig. 1 mit einem Pfeil H angedeutet. Die Figuren sind massgetreu. Die Platte 8 hat Abmessungen von 25 bis 15 mm.
Die Elektroden bestehen aus Goldblech von 0, 3 mm Stärke. Gegebenenfalls kann goldplattiertes Konstantan oder Platin oder eine Platinlegierung verwendet werden. Wenn das Massenspektrometer genügend gegen Oxydation geschützt werden kann, so ist auch Konstantan als Elektrodenmaterial zulässig.
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spannung. Die Batterie 23 erteilt der Elektrode 5 eine positive Spannung von etwa 10 Volt in bezug auf die Elektrode 6. Die Elektroden 4 und 5 können bei geeigneter Schaltung zur Stabilisierung des Elektronenstroms benutzt werden. Die Batterie 22 hat eine Spannung von etwa 90 Volt. Die Sammelelektrode 14 erhält mit Hilfe der Batterie 24 und des Spannungsteilers 25 eine positive Spannung von höchstens etwa 40 Volt in bezug auf die Elektrode 6.
In Fig. 5 wird die Hochfrequenzspannung an den Klemmen 26 zugeführt. Die maximale effektive
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1 bis 280. Das Magnetfeld hat eine Stärke von 5000 Gauss.
Die Feldverteilungsringe 12 sind mit Hilfe der Widerstände 27 zu je 200 Ohm und Kondensatoren 28 zu je l uF hochfrequenzmässig mit den Platten 7 und 8 gekoppelt. Mit Hilfe der Batterie 29 und des Spannungsteilers 30 erhalten die Ringe 12 eine positive Spannung von höchstens 1 V in bezug auf die Platten 7 und 8.
Die Batterie 31 und der Spannungsteiler 32 erteilen den Platten 15 eine negative Spannung von höchstens 200 Volt in bezug auf die Elektroden 7 und 8.
Fig. 6 gibt an, wie der relative Ionenstrom i+/i+ max zur Kollektorelektrode verläuft, u. zw. für die Gase Stickstoff und Wasserstoff in Abhängigkeit von der negativen Spannung V,-an den Elektroden 15 bei
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einem Druck von 4, 10 -1 mm Hg bei im übrigen optimalen Bedingungen für ein Massenspektrometer mit sechs Feldverteilungsringen. Es ist leicht einzusehen, dass sowohl fUr die leichten als auch für die schweren Ionen eine ziemlich hohe negative Spannung an den Elektroden 15 erforderlich ist. Die Höhe dieser Spannung hängt selbstverständlich vom Abstand dieser Elektroden von den Feldverteilungsringen, von den Abmessungen und der Zahl dieser Ringe ab.