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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffangen von Ionen, insbesondere
in einem Massenspektrometer, mit einem Rahmen.
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In
einem Firmenprospekt der Anmelderin ("Triton Neptune, Multicollector Mass
Spectrometers For High Precision Isotope Ratio Determination", Thermo Finnigan
MAT GmbH, Bremen, Deutschland, 2001) sind verschiedene Bestandteile
von Massenspektrometern erläutert.
Unter anderem ist ein Multikollektor als Ionenauffänger mit
einer Vielzahl von Faraday-Cups dargestellt. Die Faraday-Cups sind rechteckig
und scheibenförmig
flach ausgebildet, sodass mehrere Faraday-Cups mit geringem Abstand nebeneinander
in der Ionenbahn angeordnet sein können. Für Messungen nur geringer Ionenströme, insbesondere
im Zusammenhang mit der Isotopenverhältnisbestimmung, werden vorzugsweise
SEV benötigt.
Diese müssen
bestmöglich
an das vorhandene System angepasst werden.
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Aus
der
DE 198 38 553
A1 ist ein Faraday-Auffänger
für ein
Massenspektrometer bekannt, bei dem zwei Halbschalen aus Graphit
in einem Rahmen mit Isolatoren gehalten sind.
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Bekannt
sind SEV etwa mit der Größe und den
Abmessungen einer Scheckkarte. Die SEV sind etwas kleiner als die
Faraday-Cups. Der Veröffentlichung
Richter, S; Ott, U.; Begemann, F: Multiple Ion Counting in Isotope
Abundance Mass Spectrometry, Intern. Journal of Mass Spectrometry
and Ion Processes, 1994, 91-100, ist die Verwendung eines Sekundärelektronenvervielfachers
mit kontinuierlicher Dynode entnehmbar. Die Halterung des SEV ist
nicht ersichtlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst vielseitig verwendbare
und anpassbare Vorrichtung zum Auffangen von Ionen in einem Massenspektrometer
zu schaffen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
- a)
im Rahmen ist mindestens ein SEV gehalten,
- b) der SEV ist nach Art einer Karte ausgebildet, nämlich im
Wesentlichen quaderförmig
und mit geringer Dicke im Verhältnis
zur Länge
und Breite,
- c) der SEV weist an einer Seite eine Einlassöffnung auf, die mit einer Durchtrittsöffnung des Rahmens
fluchtet,
- d) der SEV ist an einer schmalen Seite des Rahmens in diesen
eingesteckt und aus diesem herausziehbar.
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Der
Rahmen kann in etwa die Abmessungen des sonst verwendeten Faraday-Cups
aufweisen. Der SEV ist in den Rahmen eingesteckt bzw. aus diesem
herausziehbar. Entsprechend ist der Rahmen vorzugsweise etwas dicker
als der SEV. Durch die Verwendung des Rahmens werden die äußeren Abmessungen
des SEV an die Abmessungen anderer Bestandteile der Vorrichtung
angepasst. Zugleich ermöglicht
der Rahmen ein leichtes Austauschen des SEV. So kann der SEV im
Rahmen allein klemmend gehalten sein.
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In
Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der SEV an einer
schmalen Seite eine Eintrittsöffnung
für die
Ionen aufweist, dass der Rahmen an einer schmalen Stirnseite eine
Durchtrittsöffnung
für die
Ionen aufweist, wobei die Eintrittsöffnung und die Durchtrittsöffnung miteinander
fluchten, und dass der SEV an einer quer zur schmalen Stirnseite
liegenden weiteren schmalen Seite des Rahmen in diesen zumindest
teilweise eingesetzt ist. Der Rahmen steht aufrecht mit großflächigen aufrechten
Wandungen. Der SEV ist von oben in den Rahmen eingesetzt. Die Durchtrittsöffnung des
Rahmens liegt an dessen vorderer Stirnseite, während die großflächigen aufrechten
Wandungen des Rahmens im Wesentlichen parallel zur Ionenflugbahn
ausgerichtet sind. Die größte Länge des
Rahmens verläuft
ebenfalls parallel zur Ionenflugbahn. Demgegenüber verläuft die größte Abmessung des SEV parallel
zur Einsetzrichtung (Einsetzen des SEV in den Rahmen).
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Vorzugsweise
und unabhängig
von den zuvor genannten Erfindungsmerkmalen ist an den SEV eine
flache flexible Leiterplatte mit mehreren parallelen Leitungen angeschlossen.
Die flexible Leiterplatte wird auch als Streifenleiter oder flexible
Leiterbahn bezeichnet. Ähnliche
flexible Leiterbahnen werden in Tintenstrahldruckern zur elektrischen
Ansteuerung des Druckkopfes verwendet. Im vorliegenden Fall erstreckt
sich die flexible Leiterplatte zunächst in der Ebene des SEV.
Die einzelnen Leitungen liegen in dieser Ebene mit Abstand parallel nebeneinander. Auch
die Signalleitungen sind enthalten. Ein dem SEV gegenüberliegendes
Ende der flexiblen Leiterplatte ist an weiterführende elektrische Kontakte
angeschlossen. Durch die Verwendung der flexiblen Leiterplatte in
der beschriebenen Art wird der zur Verfügung stehende Raum für die elektrischen
Anschlüsse
optimal genutzt. Die Beeinflussung der Signale durch naturgemäß vorliegende
Hochspannungen wird minimiert. Bei Anordnung mehrerer SEV nebeneinander
sind trotzdem weitgehende Verstellmöglichkeiten für die einzelnen
SEV zur Anpassung an die abzutastenden Ionenbahnen gegeben. Die
flexiblen Leiterplatten sind auch aus Kostengründen vorzugsweise nur einseitig
elektrisch isoliert, nämlich durch
das Basismaterial. Hierauf aufgetragen sind einzelne Leiterbahnen,
vorzugsweise ohne zusätzliche
Isolierung. Benachbarte flexible Leiterplatten können nicht miteinander kurzschließen, da
stets eine isolierte Seite einer mit elektrischen Leitern versehenen
Seite gegenüberliegt.
Es kommen niemals elektrische Leitungen benachbarter SEV gegeneinander
zu liegen.
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Ein
Kanaleingang des SEV ist vorzugsweise geerdet. Entsprechend ist
der Kanalausgang auf Hochspannung gelegt, insbesondere auf etwa
2000 V.
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Vorteilhafterweise
ist der Rahmen an seiner schmalen Unterseite mit einer Halterung
verbindbar. Der Rahmen wird von der Halterung in einer definierten
Position gehalten bzw. ist in definierter Position in die Halterung
einsetzbar. Die Halterung selbst ist quer zur Ionenflugbahn verstellbar,
sodass der Rahmen auf eine definierte Ionenflugbahn einstellbar
ist.
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Vorteilhafterweise
weist der Rahmen an seiner schmalen Oberseite Haltemittel auf zur
Verbindung des Rahmens mit einem Führungsmittel. Dadurch ergeben
sich weitere Verstellmöglichkeiten
im Zusammenspiel zwischen den Haltemitteln und dem Führungsmittel
(oder mehreren Führungsmitteln).
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere SEV mit Rahmen vorgesehen, wobei die
Rahmen an mindestens einem gemeinsamen Führungsmittel gehalten und an
diesem mit definierten Abständen
relativ zueinander positionierbar sind. Die Führungsmittel ermöglichen
demnach eine Zusammenfassung mehrerer Rahmen zu einer Gruppe, wobei
innerhalb der Gruppe definierte Positionen einnehmbar sind. Vorzugsweise
ist mindestens ein Rahmen der Gruppe mit einer Halterung versehen,
sodass im Ergebnis eine Gruppe mit mehreren SEV (in entsprechenden
Rahmen) nur von einem Rahmen gehalten wird. Als Führungsmittel
sind vorzugsweise zwei Stangen vorgesehen, auf die die einzelnen
Rahmen mit entsprechenden Haltemitteln aufgefädelt sind.
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Vorzugsweise
ist außerdem
mindestens ein Faraday-Cup vorgesehen, dessen äußere Abmessungen denen des
Rahmens entsprechen. Der Faraday-Cup ist ein spezieller Ionenauffänger, der
zugleich neben dem SEV vorgesehen sein kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind Gruppen gebildet, die entweder mindestens einen
Faraday-Cup und im Übrigen
mindestens einen SEV enthalten, oder die mehr als einen SEV enthalten,
wobei in einer Gruppe mindestens ein Faraday-Cup oder SEV an seiner
schmalen Unterseite mit einer Halterung verbunden ist und wobei
die Faraday-Cups und SEV innerhalb derselben Gruppe über oberseitige
Haltemittel an einem oder mehreren gemeinsamen Führungsmitteln angeordnet und
relativ zueinander positionierbar sind. Durch Verstellung einer
Halterung kann demnach eine ganze Gruppe insbesondere quer zur Laufrichtung
des Ionenstrahls verschoben werden. Verstellungen der Positionen
innerhalb einer Gruppe erfolgen durch Bewegung der Haltemittel entlang
der Führungsmittel.
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Bestandteil
der Erfindung ist auch ein Massenspektrometer, insbesondere Isotopen-Massenspektrometer,
mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen, vorzugsweise
mit einem Multikollektor.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
aus der Beschreibung im Übrigen.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
in einen Rahmen eingesetzten Sekundärelektronenvervielfacher (SEV)
in Seitenansicht,
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2 eine
Darstellung ähnlich 1,
jedoch aufgeschnitten und mit an den SEV angeschlossener flexibler
Leiterplatte,
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3 die
Ansicht einer Stirnseite des Rahmens mit SEV gemäß 2,
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4 eine
Darstellung entsprechend 1 aber mit flexibler Leiterplatte
am SEV,
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5 eine
Darstellung des Rahmens entsprechend 1 (ohne
SEV) und auf einer unterseitigen Halterung,
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6 eine
Draufsicht auf den Rahmen mit Halterung gemäß 5,
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7 eine
Draufsicht auf mehrere auf Führungsmitteln
aufgefädelte
Rahmen,
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8 eine
Draufsicht auf eine Gruppe von SEV mit Faraday-Cup auf einer Halterung.
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1 zeigt
einen in einen Rahmen 10 eingesetzten Sekundärelektronenvervielfacher
(SEV) 11. Der Rahmen ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet
mit einer Länge
LR in Richtung einer Längsmittelachse 12 und
einer hierzu sich quer erstreckenden Breite BR. Der Rahmen 10 weist
eine im Verhältnis zur
Breite BR bzw. Länge
LR sehr geringe Dicke DR auf, die senkrecht zur Bildebene gerichtet
ist. Entsprechende Richtungsangaben für die genannten Abmessungen
Länge LR,
Breite BR und Dicke DR sind in 1 ebenfalls
gezeichnet. Insgesamt sind die Abmessungen des Rahmens mit denen
einer etwas dickeren Scheckkarte vergleichbar.
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Der
Rahmen 10 weist eine mit einer Durchtrittsöffnung 13 versehene
schmale Stirnseite 14 auf, eine hierzu gegenüberliegende
schmale Stirnseite 15, eine schmale Unterseite 16,
eine schmale Oberseite 17 und parallel zur Bildebene liegende
großflächige Seitenwandungen 18, 19,
siehe auch 6. Die Bezeichnungen Oberseite
und Unterseite beziehen sich auch auf die vorgesehene Anordnung
des Rahmens 10 in einem Isotopenmassenspektrometer.
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Der
SEV 11 weist ebenfalls ein Format ähnlich einer Scheckkarte auf,
nämlich
mit einer Länge LS
entlang einer Längsmittelachse 20,
einer Breite BS und einer Dicke DS. Letztere erstreckt sich senkrecht
zur Bildebene. Die Längsmittelachse 20 verläuft in der
Bildebene aber senkrecht zur Längsmittelachse 12 des
Rahmens 10. Die Dicke DS ist etwas geringer als die Dicke
DR des Rahmens 10.
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Der
SEV 11 ist von oben, d.h. im Bereich der schmalen Oberseite 17 in
den Rahmen 10 eingesteckt. Eine entsprechende Aufnahmeöffnung im Rahmen 10 ist
mit der Ziffer 21 bezeichnet. Der SEV 11 taucht
zu etwa 2/3 seiner Länge
in den Rahmen 10 ein und weist eine glockenförmige Einlassöffnung 22,
einen hieran anschließenden
mäanderförmigen Kanal 23,
einen isolierenden Keramikkörper 24 und elektrische
Anschlüsse 25 auf.
Der Aufbau eines derartigen SEV in Scheckkartengröße mit kontinuierlicher
Dynode ist grundsätzlich
bekannt. Die in die Einlassöffnung 22 eintretenden
Ionen schlagen bei jedem Auftreffen auf Wandungen des Kanals 23 Sekundärelektronen
heraus, die ihrerseits weitere Sekundärelektronen beim Auftreffen
auslösen.
An einem Kanalausgang 26 liegt hier eine Verstärkung von etwa
107 vor. Im vorliegenden Fall ist an den
Kanalausgang 26 eine Hochspannung von etwa 2000 V angelegt,
während
ein Kanaleingang 27 geerdet ist. Die Einlassöffnung 22 des
SEV 11 fluchtet mit der Durchtrittsöffnung 13 des Rahmens 10 und
ist an einer schmalen Längsseite 28 des
SEV 11 angeordnet.
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Die
Aufnahmeöffnung 21 im
Rahmen 10 ist innenliegend mit einer unteren Auflagefläche 29 und zwei
seitlichen Anlageflächen 30, 31 sowie
einer Druckfeder 32 versehen. Die Druckfeder 32 wirkt
auf eine der schmalen Längsseite 28 gegenüberliegende weitere
schmale Längsseite 33 des
SEV 11. Eine schmale untere Stirnseite 34 des
SEV 11 kommt an der hierzu deutlich kleineren unteren Auflagefläche 29 zu
liegen. Die schmale Längsseite 28 liegt
oberhalb und unterhalb der Einlassöffnung 22 an den seitlichen
Anlageflächen 30, 31 an.
Insgesamt ist der SEV 11 nach dem Einstecken in den Rahmen 10 genauestens
positioniert.
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Der
unteren Stirnseite 34 gegenüberliegend weist der SEV eine
obere schmale Stirnseite 35 auf. Im Bereich derselben ist
eine flexible Leiteplatte 36 an den SEV 11 angeschlossen.
Auf der flexiblen Leiterplatte 36 sind vier Leitungen nebeneinander
auf einem Träger 37 aus
flexiblem Kunststoff aufgedruckt bzw. in anderer Weise aufgebracht,
siehe 4. Die einzelnen Leiter 38, 39, 40, 41 sind
für verschiedene Spannungen
vorgesehen. Der äußere Leiter 38 führt die
Sekundärelektronen-Spannung.
Der hierzu nächstliegende
Leiter 39 ist geerdet. Der folgende Leiter 40 führt das
Ionen-Signal. Der letzte äußere Leiter 41 ist
an eine Hochspannung angeschlossen.
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An
einem dem SEV 11 gegenüberliegenden Ende
weist die flexible Leiterplatte 36 ein Anschlussstück 42 auf
mit vier Kontakten 43, 44, 45, 46,
denen die Leiter 38, 39, 40, 41 zugeordnet
sind.
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Der
SEV 11 mit Rahmen 10 ist Bestandteil eines nicht
näher gezeigten
Multikollektors für
ein Massenspektrometer. Zur Aufnahme einer Ionenverteilung (oder
aus anderen Gründen)
sind mehrere Rahmen 10 mit SEV 11 nebeneinander
vorgesehen. Dabei können
verschiedene Arten von Gruppen gebildet werden. Zum Einen können die
Rahmen 10 mit SEV 11 an ihren Unterseiten 16 auf
speziellen Halterungen 47 angeordnet sein. 5 zeigt
einen Rahmen 10 auf einer Halterung 47. Letztere
weist eine zylindrische Aufnahme 48 für den Rahmen 10 auf.
Die Aufnahme 48 ist in nicht näher gezeigter Weise mit einer speziell
gestalteten Oberseite versehen, sodass Ausnehmungen 49 an
der Unterseite 16 in exakt reproduzierbarer Position auf
die Halterung 17 aufsetzbar sind.
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Die
Halterung 47 ist auf einem Schlitten 50 angeordnet,
der in nicht näher
gezeigter Weise mit einer Bewegungskomponente quer zum Ionenstrahl verschiebbar
ist. Bei mehreren Schlitten 50 mit je einem Rahmen 10 können die
einzelnen SEV unabhängig
voneinander positioniert werden. Eine Anordnung mit mehreren Schlitten
(aber mit Faraday-Cups) ist in dem in der Beschreibungseinleitung genannten
Firmenprospekt der Thermo Finnigan MAT GmbH näher gezeigt. Auf die gesamte
Offenbarung des Firmenprospekts wird Bezug genommen.
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7 zeigt
mehrere mit ihren großflächigen Seitenwänden 18, 19 benachbart
angeordneten Rahmen 10. Letztere sind auf zwei als Stangen
ausgebildeten Führungsmitteln 51, 52 aufgefädelt. Hierzu weist
jeder Rahmen 10 an seiner schmalen Oberseite 17 Haltemittel 53, 54 auf.
Konkret handelt es sich hier um Haken mit innenliegenden Anlageflächen 55 und
diesen gegenüberliegenden
Arretierschrauben 56. Mittels der genannten Führungsmittel 51, 52 und Haltemittel 52, 54 ist
es möglich,
mehrere Rahmen 10 miteinander zu einer Gruppe 57 zu
verbinden und zugleich die Relativanordnung der Rahmen 10 innerhalb
der Gruppe 57 genau festzulegen. Einer der Rahmen 10 ist
auf der in den 5 und 6 gezeigten
Halterung 47 gelagert und mit dem Schlitten 50 verstellbar.
Entsprechend kann mit dem Schlitten 50 die gesamte Gruppe 57 bewegt
werden. Begünstigt
wird die Bewegbarkeit auch durch die genannten flexiblen Leiterplatten 36 an
jedem Rahmen 10.
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Anstelle
der Rahmen
10 mit SEV
11 können auf den Schlitten
50 bzw.
Halterungen
47 auch die in dem oben genannten Firmenprospekt
gezeigten Faraday-Cups angeordnet sein. Deren Aufbau ist in dem
Firmenprospekt ersichtlich und außerdem in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 38 553 dargestellt.
Im vorliegenden Fall sind zusätzlich
Haltemittel entsprechend den in
5 dargestellten
Haltemitteln
53,
54 vorgesehen.
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Die äußeren Abmessungen
der Rahmen 10 und der Faraday-Cups sollen einander weitgehend entsprechen.
Dadurch ist es möglich,
Gruppen zu bilden, die nur Rahmen 10 mit SEV 11 oder
aber mindestens einen Faraday-Cup und mindestens einen Rahmen 10 mit
SEV 11 enthalten, wobei die einzelnen Mitglieder einer
Gruppe durch die bereits genannten Führungsmittel und Haltemittel
zusammengehalten werden. Eine Gruppe 57 mit einem Faraday-Cup 58 und
vier Rahmen 10 zeigt 8 in einer Draufsicht, ähnlich der 6.
Der Faraday-Cup 58 ist über
einen Leiter 59 mit dem Schlitten 50 elektrisch
verbunden, nicht jedoch die SEV 11. Auch sitzt nur der
Faraday-Cup 58 auf der Halterung 47. Im Übrigen wird
die Gruppe durch die Haltemittel und Führungsmittel 51, 52 zusammengehalten.
Schließlich können auch
die Faraday-Cups flexible Leiterplatten für eine elektrische Verbindung
aufweisen.
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- 10
- Rahmen
- 11
- SEV
- 12
- Längsmittelachse
- 13
- Durchtrittsöffnung
- 14
- schmale
Stirnseite
- 15
- schmale
Stirnseite
- 16
- schmale
Unterseite
- 17
- schmale
Oberseite
- 18
- großflächige Seitenwand
- 19
- großflächige Seitenwand
- 20
- Längsmittelachse
- 21
- Aufnahmeöffnung
- 22
- Einlassöffnung
- 23
- Kanal
- 24
- isolierender
Keramikkörper
- 25
- elektrische
Anschlüsse
- 26
- Kanalausgang 27
- 27
- Kanaleingang
- 28
- schmale
Längsseite
- 29
- untere
Auflagefläche
- 30
- seitliche
Anlagefläche
- 31
- seitliche
Anlagefläche
- 32
- Druckfeder
- 33
- schmale
Längsseite
- 34
- schmale
untere Stirnseite
- 35
- schmale
obere Stirnseite
- 36
- flexible
Leiterplatte
- 37
- Träger
- 38
- Leiter
- 39
- Leiter
- 40
- Leiter
- 41
- Leiter
- 42
- Anschlussstück
- 43
- Kontakt
- 44
- Kontakt
- 45
- Kontakt
- 46
- Kontakt
- 47
- Halterung
- 48
- Aufnahmen
- 49
- Ausnehmungen
- 50
- Schlitten
- 51
- Führungsmittel
- 52
- Führungmittel
- 53
- Haltemittel
- 54
- Haltemittel
- 55
- Anlageflächen
- 56
- Arretierschrauben
- 57
- Gruppe
- 58
- Faraday-Cup
- 59
- Leiter
- LR
- Rahmenlänge
- BR
- Rahmenbreite
- DR
- Rahmendicke
- LS
- SEV-Länge
- BS
- SEV-Breite
- DS
- SEV-Dicke