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Vorrichtung zur oszillographischen Darstellung von Massenspektren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur oszillographischen Darstellung von Massenspektren mit einem Massenspektrometer nach dem Pendelionenprinzip, bei welchem Ionen in einem elektrostatischen Feld Schwingungen ausführen und durch Wechselwirkung mit einem gleichzeitig vorhandenen hochfrequenten Wechselfeld Ionenpakete gebildet werden, die an einer Signalselektrode einen Influezstrom erzeugen.
Zur Gasanalyse in Vakuumapparaturen sind Hochfrequenz-Massenspektroskope bekannt, dienach dem Pendelionenprinzip arbeiten. Dabei schwingen in einer Messröhre Ionen in einem Laufraum, der durch eine Blendenanordnung gebildet wird. Die Potentiale an den Blenden sind so gewählt, dass für die Ionen eine Potentialmulde entsteht. Die Ionen erfahren neben der Beeinflussung durch dieses Gleichfeld noch eine Wechselwirkung in einem Hochfrequenzfeld, das durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die erste Elektrode des Laufraumes entsteht. Ionen, deren Schwingungsfrequenz mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes übereinstimmt, werden zu Paketen gebündelt. Diese schwingenden Ionenpakete erzeugen an der letzten Elektrode des Laufraumes, der Signalelektrode, ein hochfrequentes Influenzsignal, das zur Anzeige der schwingenden Ionenart benutzt wird.
Hiebei wird die elektronische Anzeige dadurch ermöglicht, dass die Frequenz des Hochfrequenzfeldes von 134 kHz bis 1,9 MHz im Rhythmus von50 Hz gewobbelt wird. Es wird hiedurch ein Massenbereich M = 2 - 250 eingeschlossen. Das hochfrequente Influenzsignal wird in einem Breitbandverstärker verstärkt und anschliessend gleichgerichtet.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Anzeigeempfindlichkeit verhältnismässig gering ist infolge des ständigen Frequenzwechsels des Hochfrequenzfeldes und der dadurch nötigen breitbandigen Verstärkung. Dabei ist die Anzeigeempfindlichkeit massenabhängig und sinkt mit aer Verkleinerung der Massenzahl. Ausserdem ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Massenzahl und Frequenz, der der Beziehung M- f entspricht, also nicht-linear ist. Andere bekannte Einrichtungen arbeiten nach dem Prinzip, dass das hochfrequente Influenzsignal mit einem Selektivverstärker nach dem Überlagerungsprinzip verstärkt wird. Zwar erreichte man hiebei eine höhere Empfindlichkeit, jedoch kann dabei nur
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baren Selektivverstärkers in Kauf nimmt.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, dass bei konstanter Frequenz einer Hochfrequenz-Wechselspannung, die an der äusseren Lauffeldelektrode einer Messröhre anliegt, deren Lauffeld periodisch, insbesondere sägezahnförmig geändert wird, wobei die Lauffeldspannungen über Impulsteiler an die Lauffeldelektroden angelegt werden. Dabei wird das an einer Signalelektrode auftretende hochfrequente Influenzsignal mit Hilfe eines Selektivverstärkers verstärkt. Das verstärkte hochfrequente Influenzsignal wird einer phasenselektiven Gleichrichterschaltung zugeführt, wobei als Vergleichsspannung die Modulationsspannung aus dem Hochfrequenzgenerator dient.
Durch die sägezahnförmige Änderung des Lauffeldes der Messröhre ändert sich gleichzeitig periodisch
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die Schwingungsfrequenz der Ionen, so dass während einer Periode der Lauffeldänderung die Schwingungs- frequenz der einzelnen Ionensorten nacheinander der Frequenz des Hochfrequenzfeldes gleich wird und so eine lonenpaketbildung vor sich gehen kann. Ionen, die gleiche Schwingungsfrequenz wie die Frequenz des Hochfrequenzfeldes haben, influenzieren an der Signalelektrode ein hochfrequentes Influenzsignal derselben Frequenz. Dieses hier entstehende hochfrequente Influenzsignal wird nun einem Selektivverstärker zugeleitet und dort verstärkt.
Die erfindungsgemässe Massnahme ermöglicht erst den Einsatz eines Selektivverstärkers, d. h-die Anzeige der verschiedenen Ionensorten bei konstanter Frequenz des Hochfrequenzfeldes erfolgt.
Die Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen, die nachstehend erläutert werden. Durch den Betrieb bei konstanter Frequenz des Hochfrequenzfeldes ist eine höhere Empfindlichkeit des Gerätes gewährleistet. Dabei bleibt vor allem die Anzeigeempfindlichkeit für die Influenzsignale aller Ionensorten stets gleich gross. Ferner werden weitestgehend hochfrequente Störungen durch die Konstanthaltung des Hochfrequenzfeldes vermieden. Die phasenselektiveGleichrichtung des Signals dient derBe- seitigung der "-Geisterlinie, die sich als Linie mit entgegengesetzter Polarität der Hauptlinie darstellt. Auf Grund der entgegengesetzten Polarität ist ein Abschneiden dieser Geisterlinie möglich.
Der durch die erfindungsgemässe Massnahme ermöglichte Einsatz eines Selektivverstärkersverhindertgleich- falls die Bildung von Geisterlinien 4M und 9M. Ausserdem ist der Zusammenhang zwischen Massenzahl und zugehöriger Lauffeldspannung linear, d. h, M IV U.
Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert : Die Figur zeigt ein Schema einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Die Messröhre 1 ist mit einem Pumpstutzen 2 versehen, mit welchem sie an einem Rezipienten angeschlossen ist. In der Messröhre 1 befindet sich eine ge- heizte Kathode 3, die ihren Heizstrom aus einer geeigneten Stromquelle 4 erhält. Der Emissions- strom der Kathode 3 kann durch die Wehnelt-Elektrode 5 gesteuert werden. Die Elektrode 6, die zugleich die erste Elektrode des Laufraumes bildet, stellt die Anode zur Kathode 3 dar. Die Elek- troden 6,7, 8,9, 10,11 und 12 bilden den Ionenlaufraum, gleichzeitig ist die Elektrode 12 die
Signalelektrode.
Die Kathode 3 und die Wehnelt-Elektrode S sind ausser mit der Heizstromquelle 4 noch mit einer Gleichspannungsquelle 13 verbunden, die die Beschleunigungsspannung für die Elektronen und die Steuerspannung für die Wehnelt-Elektrode 5 liefert. Die Elektrode 6, die sich gleichspannungsmässig auf Erdpotential befindet, erhält aus dem Hochfrequenzgenerator 14 eine Hoch- frequenzspannung konstanter Frequenz. Die Elektroden 7,8, 9,10 und 11 sind über einen Impulsspannungsteiler 15 an einen Hochspannungssägezahngenerator 16 angeschlossen und erzeugen das Ionenlauffeld.
An Stelle des Sägezahngenerators 16 kann auch ein Generator für eine sinusförmige niederfrequente Wechselspannung mit einer überlagerten Gleichspannung benutzt werden, wobei der Oszillograph für die Anzeige des Massenspektrums in X-Richtung mit der Niederfrequenzspannung abge- lenkt wird. Die Signalelektrode 12 ist auf kürzestem Wege mit einem Impedanzwandler 17 verbunden, bei dem ein grosser Eingangswiderstand für die Signalhochfrequenz durch eine Anodenbasisschaltung der Verstärkerröhre und eine Kompensation der Eingangskapazität durch Einbeziehung in einen Schwingkreis erreicht wird. Dieser Verstärker dient der Anpassung an das Hochfrequenzkabel 18, das zum Selektiwerstärker 19 führt.
Dem Selektivverstärker 19 folgt zur phasenselektiven Gleichrichtung der Ringmodulator 20, der gleichzeitig aus dem Hochfrequenzgenerator 14 eine Vergleichsspannung erhält. Die Ausgangsspannung des Ringmodulators 20 wird über einen Vorverstär- ker 21, in dem eine Diodenschaltung dafür sorgt, dass nur Signale einer Polarität verstärkt werden, einem Oszillographen zugeleitet. Der Oszillograph 22 erhält seine Vertikalablenkspannung aus dem Vorverstärker 21 und die Ablenkspannung für die Horizontalablenkung aus-dem Sägezahngenera- tor 16.
Die Wirkungsweise ist folgende :
Der von der Kathode 3 ausgehende, zur Elektrode 6 beschleunigte Elektronenstrom ionisiert das in der Messröhre vorhandene Gas in der Umgebung der Elektrode 6. Ionen, die innerhalb des Laufraumes entstehen, werden durch das Lauffeld abgesaugt und führen Pendelschwingungen aus. Durch die Wirkung des Hochfrequenzfeldes, das mit Hilfe der Elektrode 6 erzeugt wird, werden Ionen, deren Pendelfrequenz mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes übereinstimmt, zu Ionenpaketen gebündelt. Diese Ionenpakete schwingen dann im Laufraum und influenzieren an der Signalelektrode 12 eine Ladeverschiebung mit der Pendelfrequenz. Der dabei entstehende Verschiebungsstrom ruft am Eingangswiderstand des Impedanzwandlers 17 eine hochfrequente Signalspannung hervor, deren Frequenz mit der des Hochfrequenzfeldes übereinstimmt.
Die Pendelfrequenz der Ionen im Lauffeld wird durch die Grösse des Lauffeldes bestimmt. Durch eine periodische Veränderung des Lauffeldes, die mit Hilfe
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der Veränderung der Spannung an den Elektroden 7 - 11 erreicht wird, gelangen nacheinander die Pendelfrequenzen der verschiedenen Ionensorten in Übereinstimmung mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes. Die sich dabei bildenden Ionenpakete rufen bei ihren Schwingungen nacheinander eine Ladungsverschiebung an der Signalelektrode 12 hervor, deren Grösse von der Ionenmenge und damit vom Partialdruck des entsprechenden Gases abhängt. Ionenpakete, deren Pendelfrequenz nicht mit der Frequenz des Hochfrequenzfeldes übereinstimmt und die die Geisterlinie 4M und 9M verursachen würden, ergeben Signale, die durch die selektive Verstärkung unterdrückt werden.
Der Ringmodulator
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lenkung in x-Richtung erfolgt ; dadurch wird auf dem Bildschirm des Oszillographen das Massenspektrum des Restgases mit linearer Massenskala sichtbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur oszillographischen Darstellung von Massenspektren mit einem Massenspektrometer nach dem Pendelionenprinzip, bei welchem Ionen in einem elektrostatischen Feld Schwingungen ausführen und durch Wechselwirkung mit einem gleichzeitig vorhandenen hochfrequenten Wechselfeld Ionenpakete gebildet werden, die an einer Signalselektrode einen Influenzstrom erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Frequenz der Hochfrequenzwechselspannung, die an der äusseren Lauffeldelektrode (2) einer Messröhre (1) anliegt, deren Lauffeld periodisch, insbesondere sägezahnförmig geändert wird, wobei die Lauffeldspannungen über Impulsspannungsteiler (15) an die Lauffeldelektroden angelegt werden.