DE1034393B - Massenspektrometer - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer, bei welchem die Trennung von Ionen mit verschiedenem Verhältnis von Ladung zu Masse nach dem Zyklotronprinzip erfolgt.

Bei diesen bekannten Massenspektrometern werden Ionen eines bestimmten Verhältnisses von Ladung zu Masse durch Zusammenwirken eines magnetischen Gleichfeldes und eines senkrecht dazu angeordneten elektrischen Wechselfeldes laufend beschleunigt, so daß sie sich auf Spiralbahnen in einer Ebene senkrecht zum Magnetfeld von ihrem Entstehungsort in der Mitte einer Vakuumkammer entfernen und schließlich auf einen Auffänger an der Peripherie des Vakuumraumes auftreffen. Ionen, die die durch das Magnetfeld die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes gegebene Bedingung nicht erfüllen, *5 beschreiben Bahnen in Form von Lissajous-Figuren und bleiben dadurch in der Nähe ihres Entstehungsortes, ohne den Auffänger zu erreichen.

Die bekannten Massenspektrometer dieser Art enthalten in der Vakuumkammer eine Anzahl von ringförmigen Elektroden, denen die Wechselspannungen zugeführt werden, dabei ist es bekannt, an die inneren Elektroden eine kleinere Spannung anzulegen als an die äußeren.

Die bekannten Massenspektrometer dieser Art arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend, es hat sich jedoch herausgestellt, daß für manche Verwendungszwecke das Auflösungsvermögen nicht ausreicht. Ferner treten bei manchen bekannten Instrumenten dieser Art nichtlineare Effekte infolge von Raumladungen im Bereich der anfänglichen Ionenbeschleunigung auf, wo die Verhältnisse besonders kritisch sind; auch nichtlineare Verteilungen des elektrischen Wechselfeldes können eine nichtlineare Anzeige ergeben. Diese Nichtlinearitäten sind deshalb unerwünscht, weil die Anzeige des Instrumentes sich dadurch nicht linear mit der Zahl der Ionen einer gewünschten Masse, die dem Instrument zugeführt werden, ändert.

Durch die Erfindung soll ein Massenspektrometer mit einem guten Auflösungsvermögen in einem weiten Massenbereich angegeben werden. Ferner soll die störende Wirkung der ungleichmäßigen Verteilung des elektrischen Feldes möglichst ausgeschaltet werden, und schließlich sollen die durch die Raumladungen im anfänglichen Beschleunigungsbereich hervorgerufenen Nichtlinearitäten, ohne das Auflösungsvermögen zu beeinträchtigen, beseitigt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das elektrische Wechselfeld zur Beschleunigung der erwünschten und/oder das elektrische Gleichfeld zum Absaugen der unerwünschten Ionen im wesentlichen zwischen den, das zu untersuchende Gas ionisierenden Elektronenstrahl am nächsten liegenden Elektroden konzentriert sind und/oder daß die erwünschten Ionen vor dem Auftreffen auf die Sonde, vorzugsweise in dem der Mass ensp ektrometer

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Juli 1963

George Jernakoff,

Sheridan Village, Schenectady, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Sonde gegenüberliegenden Teil des Massenspektrometers, ein zusätzlich vorgesehenes, als Energiefilter wirkendes Gleichfeld passieren. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält alle drei obengenannten Merkmale, jedoch können erfindungsgemäße Instrumente auch nur mit einem dieser Merkmale gebaut werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer und enthält einen Teil der zugehörigen Schaltung;

Fig. 2 ist ein senkrecht zu dem Schnitt in Fig. 1 gelegter Schnitt und zeigt eine Anschlußmöglichkeit des Instrumentes an eine Wechselspannung;

Fig. 3 ist ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung der gegenseitigen Lage des magnetischen und des elektrischen Feldes im Instrument;

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch das Instrument nach Fig. 1 und veranschaulicht eine weitere Möglichkeit des Anschlusses an eine Wechselspannung;

Fig. 5 ist ein Querschnitt durch das Instrument nach Fig. 1 und veranschaulicht eine dritte bevorzugte Anschlußmöglichkeit an die Wechselspannung.

Das Instrument nach Fig. 1 und 2 enthält eine Analy-^ sierkammer 11, die durch das innere Gehäuse 12 umschlossen wird und ferner ein äußeres Gehäuse 13 aus einem geeigneten nichtmagnetischen Material, z. B. aus rostfreiem Stahl. Das äußere Gehäuse 13 ist vakuumdicht und enthält eine Öffnung 14 zur Einführung von zu analysierenden Gasen und ferner eine nicht dargestellte Auslaßöffnung für die nicht benötigten Gase. Das Gehäuse 12 ist rechteckig und enthält Öffnungen zum Eindiffundieren von überschüssigen, durch die Öffnung 14 eingeführten Gasen in die Zone 11. Gas, welches in die

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Kammer so eingeführt ist, unterliegt einem Elektronen- und Instrument 36 nicht. Durch den Anschluß der Hochbombardement durch einen Elektronenstrahl, der durch frequenzquelle 33 an die Platten 25, 26 und Ringelekeine Kathode 15 erzeugt, durch eine Elektrode 16 fokus- troden 27 bis 30 entsteht das konzentrierte Wechselfeld siert wird und eine Anode oder einen Kollektor 17 trifft. hauptsächlich nur in der Mittelzone der Kammer und An diesen drei Elektroden liegen geeignete Spannungen 5 bewirkt eine erhebliche Energieübertragung auf die in der Batterien 18 und 19. Die Strahlelektronen treffen in Resonanz befindlichen Ionen während des anfänglichen der Zone 11 auf die zu analysierenden Gasmoleküle und Teils ihrer Bewegung, so daß diese Ionen schnell die Zone erzeugen Ionen, deren Masse für das analysierte Gas verlassen, in welcher sich die nicht in Resonanz befindkennzeichnend ist. Die Bildung von Ionen durch Born- liehen Ionen sammeln. Das konzentrierte Wechselfeld bardierung von Gasmolekülen mit einem Elektronen- ¹⁰ bewirkt auch eine Konzentrierung der nicht in Resonanz strahl ist in der Literatur beschrieben und braucht nicht befindlichen Ionen in der Mittelzone, so daß sie leichter erläutert zu werden. Eine derartige Beschreibung findet entfernt werden können.

sich in der Arbeit von Dempster in Band20, Physical Wie in Fig. 3 veranschaulicht, möge die Richtung des

Review, 1922, S. 631. magnetischen Feldes B die Z-Richtung sein, während das

Zur Trennung von Ionen einer gewünschten Masse von 15 elektrische Feld E in der Y-Richtung liegen möge. Die

anderen Ionen, die ebenfalls durch die Beschießung mit Ionen werden auf der Z-Achse gebildet. Unter diesen

Elektronenstrahlen entstehen, wird ein magnetisches Feld Voraussetzungen können die folgenden Gleichungen für

quer zur Kammer erzeugt. Zwei Polschuhe sind mit 21 die Bewegung der beschleunigten oder in Resonanz be-

tmd 22 und ihre Erregerwicklungen mit 23 und 24 be- findlichen Ionen erhalten werden,

zeichnet. Die Polschuhe 21 und 22 erzeugen bei Erregung 2° Die Vektorgleichung für die Bewegung eines Ions in

der Spulen ein magnetisches Gleichfeld von konstanter einem sich kreuzenden elektrischen und magnetischen

Flußdichte in der Zone 11. Dieses magnetische Feld ver- Feld lautet:

läuft parallel zur Zeichenebene in der Richtung des ~ _m~^ __ Qs 4- Oü · 77 (I)

Pfeües B. '

Außer dem Felde B muß noch ein elektrisches Wechsel- 25 in welcher m die Masse des Ions ist, α die Vektorbeschleu-

feld einer Frequenz gleich der Eigenfrequenz der ge- nigung des Ions, Q die Ladung des Ions, I der elektrische

wünschten Ionen in wenigstens einem Teil der Kammer Feldvektor, ν der Geschwindigkeitsvektor des Ions und

erzeugt werden, um die Ionen der gewünschten Masse j? der magnetische Feldvektor.

von den ungewünschten Ionen zu trennen. Zu diesem Wenn man Gleichung (1) in kartesische Koordinaten

Zweck wird ein konzentriertes Wechselfeld senkrecht zum 3° umformt, so werden die folgenden Ausdrücke erhalten: magnetischen Feld in nur dem mittleren Teil der Kammer

erzeugt. Zu diesem Zweck sind zwei Plattenelektroden 25 ά*% __ dy

und 26 im Gehäuse 12 angebracht und von ihm isoliert. dt² dt' Zwischen diesen Plattenelektroden liegt eine Anzahl von

ringförmigen leitenden Platten 27 bis 30 mit rechteckiger 35 d^zy dx

Mittelöffnung. Die Platten 27 bis 30 sind ebenfalls isoliert ^m ~Jp = Q sy —QH -^, (ό) im Gehäuse 12 angebracht.

Wie aus Fig. 2 zu sehen, ist jede der Platten 27 bis 30 ^._z

an eine Wechselspannung angeschlossen. Bei dieser Aus- *»-jig- = 0, (4)

führungsform der Erfindung sind die Platten 27 und 28 40

über einen Kondensator31 und einen Ableitwider- , . d?x ,. ,-. ,, . , _T ., -n-i-j.

stand 31« mit der Elektrode 25 verbunden und die wobei-^ dxe Beschleunigung des Ions in der ^-Richtung

Platten 29 und 30 über einen Kondensator 32 mit der * ^. dy .. „ , . ,. , ., , _T . , ~ ,,

Platte 26. Zwischen den Elektroden 25 und 26 Hegt eine ^lst> Tf ^die Geschwindigkeit des Ions in der y-Richtung,

Wechselspannungsquelle und zwischen den Platten 28 45 ^y . . τ,- -,j.

und 29 ein Widerstand 33« zur Herstellung eines konzen- IF ^ώβ Beschleunigung des Ions in der y-Richtung, sy

trierten elektrischen Wechselfeldes in der Mittelzone der ,. _.. , dx ,. ~ , · ^- 1 -^ j _T

Kammer. Dieses Wechselfeld hat eine Frequenz gleich diey-Komponentevone, — die Geschwindigkeit des Ions

der Eigenfrequenz der Ionen der gewünschten Masse, so . . _._,.,, _n d'²z -.^₁₁ . , _T

daß das Wechselfeld und das magnetische Feld Ionen mit 50 ^{m der} ^"^htung und -^ die Beschleunigung des Ions

einer Eigenfrequenz gleich der Frequenz des Wechsel- in der Z-Richtung ist.

feldes auf Spiralbahnen beschleunigen, die in Fig. 2 durch Wenn man der Einfachheit halber annimmt, daß das

punktierte Linien angedeutet sind. Diese Spiralbahnen Ion im Ursprungspunkt des Koordinatensystems sich in

liegen in der von den Platten 25 und 26 und den ring- Ruhe befindet, so gelten die folgenden Gleichungen für

förmigen Elektroden 27 bis 30 umschlossenen Fläche. Die 55 t = 0:

so beschleunigten Ionen laufen auf Spiralbahnen nach , ■ , , außen, bis sie auf eine Sonde 34 auftreffen, die mit einer χ = y = ζ = -j— = -~ = -j— = 0. Anzeigeeinrichtung verbunden ist, bestehend aus einem ^t dt dt Verstärker 35 und einem Meßinstrument 36. Das elektrische Ausgangssignal, welches durch den Aufprall der 60 Nach Gleichung (4) unter Berücksichtigung der zuletzt beschleunigten Ionen auf die Sonde 34 entsteht, zeigt angegebenen Beziehungen sieht man, daß die Ionen als dann das Vorhandensein von Stoffen einer bestimmten in der #-Ebene verbleibend angenommen werden können Masse in dem analysierten Gas an. Gleichzeitig werden in und daß die nachfolgende Behandlung auf die Entwickder Kammer noch Ionen gebildet, deren Eigenfrequenzen lung der Gleichungen (2) und (3) beschränkt werden kann, nicht der Frequenz des Wechselfeldes entsprechen. Ihre 65 Wenn die Oszillatorspannung, d.h. das elektrische Feld Bahnen haben die Form von Lissajous-Figuren, so daß zwischen den Platten 25 und 26 durch die folgende sie in der Nähe des ionisierenden Elektronenstrahles und Gleichung gegeben ist

damit in der Mittelzone der Kammer verbleiben. Da diese e — E cos (a>t 4- τ) IS) Ionen nicht nach außen beschleunigt werden, beeinflussen sie das elektrische Ausgangssignal am Verstärker 35 70 in welcher e der Augenblickswert der Oszillatorspannung

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zwischen den Platten 25 und 26 ist, ω die Kreisfrequenz Definitionsgemäß sollen folgende Abkürzungen einge-

der Oszillatorspannung, t die Zeit und τ die Anfangsphase führt werden: der Oszillatorspannung ist.

Der Potentialgradient in dem durch die Ringelek- dy QEco

troden 28 und 29 begrenzten Gebiet ist gegeben durch 5 dt ' mD

y π W"

^V ^' ^ ⁼ ~D~ ^{E C0S} (^{W l +} ^ ' ® ^{und aus der Elektronen}phy^{sik ist} bekannt, daß ω₀ = -^~

ist, wobeLE die zeitliche Ableitung yqu y ist, A ein leicht

wobei V (y,t) der Potentialgradient in der y-Richtung als io zu bestimmender Parameter und ω₀ die natürliche Win-Funktion von t und D der Abstand zwischen den Plat- kelfrequenz des Ions. Wenn man diese Gleichungen bzw. ten 28 und 29 ist. Abkürzungen in Gleichung (9) einsetzt, so erhält man

Die Gleichung (6) kann nach y differenziert werden, um

die y-Komponente ε y des elektrischen Feldvektors zu „___■_ -\- to ²P = A sin (a> t + τ) (10)

ergeben. 15 dt² °

_ε y ££_ _ _ „ _cos ί_ω ι r _τ\ (7) ^^e Gleichung (10) ist die bekannte erzwungene Schwin-

Qy D ' gung und läßt sich durch die Komplementärfunktion P_c

und durch das partikuläre Integral P₃, lösen. Diese lauten: Die Trennung der Variablen in Gleichungen (2) und (3) 20

läßt sich durch Differenzieren der Gleichung (2) und ^p° = C₁ sin ω₀ ί + C₂ cos ω₀ ί, (11)

durch Einsetzen des Resultates in Gleichung (3) erreichen,

so daß die folgenden Ausdrücke gewonnen werden: „ „ . . . , , _Μηχ

^ö ° P₃, = C₃ sm (ω t + φ). (12)

ι I y \ ^x — V ■ cos (ta ί + t) , (8) Dabei sind C₁, C₂, C₃ Integrationskonstanten. Wenn

dt³ \ m j dt m²D ■ · · ■ gjjg ^g₅₀ Konstanten so bestimmt werden, daß als An-

d³y (QHY dy QE ω . fangsbedingungen für y gilt: y₀ = ^f- = 0; so wird die

~dW ⁺ \m~) Ii ⁼ mD ^Sm ^ ^{t +} ^ ' ^⁹^ 30 folgende Gleichung erhalten:

y (t) = r—j jt- [tt)₀ cos ω_οί cos r — ω sin co₀i sin r — ω₀ cos (ωί + τ)]. (13)

ft) CD₀ (CD₀ (X) j

Es sei nun Δ ω folgendermaßen definiert: _q ^ ^ _{Parameter eingeiührt} ^, _{der g}i_ei_ch ^ _ist.

/Ιω = ω - ω₀ und A = αωω₀ , _{Wem man} ^₆₅₆ Beziehungen in die Gleichung (13)

wobei Δ ω die Verstimmung der Eigenfrequenz des Ions 40 einführt und wenn man Δ ω Null werden läßt, so erhält gegenüber der Frequenz des elektrischen Feldes ist und man:

y (t) ν — [sin ω_οί sin τ — co₀t sin (ct)_oiS + τ)] . (14)

Da Resonanz auftritt, wenn Δ ω gegen Null geht, so Um einen Ausdruck für das Auflösungsvermögen zu

sieht man aus Gleichung (14), daß y mit zunehmender erhalten, können die unmittelbar vor der Gleichung (14) Zeit immer größer wird und daß daher die in Resonanz 50 angegebenen Beziehungen in die Gleichung (13) einge-

befindlichen Ionen von den nicht in Resonanz befind- setzt werden, so daß man den folgenden Ausdruck

liehen, deren Massen keine Eigenfrequenz gleich der Fre- erhält:
quenz des angelegten elektrischen Feldes besitzen, getrennt werden.

y (t) = j-2 jr- [ö>₀ cos cu_ot cos τ — ω sin co₀t sin τ — α>₀ cos (at + τ)] (15)

y (t) = —j—2— [cos (co₀t + τ) — cos (cot + τ)] 1— ₅ ^- sin co₀t sin τ. (16)

[COo — CO J (ft)o — CO J

Wenn man den Ausdruck ω = co₀ + Δ ω quadriert und in Gleichung (16) einsetzt, so reduziert sich die Gleichung auf die folgende:

y (ty — [cos (co₀t + t) cos Δ cot — sin (co₀t + r) sin Δ cot — cos (co₀t .4- τ}] -j—-= [sin co_ot sin τ]. (17)

Δ CO₀ Δ CO₀

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Da nun cos A ω t annähernd 1 wird, wenn Zl co ί sehr viel kleiner als 1 ist, so kann die Gleichung (17) weiterhin vereinfacht werden.

y (t) — — -=— [sin (co₀t + τ) sin Δ ait] -j- -=— [sin co₀t + sin τ] (18)

ZCO₀ ^ (O₀

oder troden28 und 29 entsteht. Die Wirkung eines zeitlich

konstanten oder pulsierenden elektrischen Gleichfeldes 2y{t) sin O)₀* sin τ sin (co₀t +τ) sin A cot zwischen den Ringelektroden 28 und 29 besteht darin,

= —— ■ > —-j— —"" (19) ίο ein Abwandern der nicht in Resonanz befindlichen Ionen

⁰ aus der Mittelzone senkrecht zum magnetischen Feld und

₀(j_er zum elektrischen Wechselfeld zu bewirken. Diese nicht

in Resonanz befindlichen Ionen wandern also aus dem

2y(t) 1 1 A ω -j-co 1 / ω \ Raum zwischen den Elektroden 28 und 29 ab und ge-

—-— < — + -j- = "a -γ-1 -j— I · (20) ₁₅ langen auf das Gehäuse 13, das geerdet ist. Durch die α ω_η Δω ω₀Δω ω₀ \ΔωΙ " _ ° , , ,·, ^₁ · , γ ,ι · ■, ·

Erzeugung des konzentrierten Gleichfeldes m dieser

Die Gleichung (2) kann folgendermaßen geschrieben Mittelzone werden die nicht in Resonanz befindlichen werden: Ionen wirkungsvoll abgeführt, da sich diese Ionen in der

Mittelzone sammeln und dort eine unerwünschte Raum-

y _m — —₎ (21) 20 ladung bilden. Durch die Beschränkung des konzentrierten

2.(U₀A(O elektrischen Gleichfeldes auf diese Mittelzone braucht

kein störendes Gleichfeld in der ganzen Kammer erzeugt

wenn ym der maximale mögliche Wert von y für ein Ion zu werden, so daß das Auflösungsvermögen des Instruist, dessen Eigenfrequenz gegenüber der Frequenz des mentes für bestimmte Massenbereiche nicht durch Ab-Wechselfeldes um A ω verstimmt ist. 25 führung der in Resonanz befindlichen und der nicht in

Wenn das Auflösungsvermögen des Instrumentes als Resonanz befindlichen Ionen beeinti ächtigt wird. Auf j Tr T.-1X ■ <*>,,..,., , ,.«,., - „_η diese Weise werden Nichtlinearitäten durch Bildung dasVerhaltm_S2^defmiertwird,_SokanndieGle₁chung(21) ^ _{Raumladung in der Mittelzone ohne} Beeinträchweiter vereinfacht werden und ergibt für das Auflösungs- tigung des Auflösungsvermögens beseitigt.

vermögen 30 Zur Verbesserung der Trennung von Materialien von

ο ο η η uz . „ verschiedener, aber nahezu gleicher Masse und daher zur

ω Δ(ü_oym AyDii^ym _ΛΤ , ' . ° .. . . _n

-j— = —— = — ■———. Verbesserung des Auflösungsvermögens wird em konzen-

^^{w a m} triertes elektrisches Gleichfeld an demjenigen Ende der

Kammer, das der Sonde 34 gegenüberliegt, vorgesehen.

Das Instrument wird auch mit einer Einrichtung aus- 35 Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine zweite gestattet, um die unerwünschten Ionen zu entfernen, Spannungsquelle mit 42 bezeichnet und liegt zwischen der welche andere Eigenfrequenzen besitzen als die Frequenz Platte 26 und der Ringelektrode 30 parallel zu einem des elektrischen Feldes. In früheren Instrumenten dieser Teil 43 des Spannungsteilers. Die GJeichspannungsquelle Art wurden die nicht in Resonanz befindlichen Ionen 42 erzeugt daher ein konzentriertes elektrisches Gleichfeld durch eine kleine Gleichspannung zwischen den Platten 25 40 zwischen diesen beiden Elektroden. Dieses Feld wirkt auf und 26, d. h. durch Anschluß einer Gleichspannungs- die in Resonanz befindlichen Ionen auf ihren Spiral· quelle 37 an die Platten 25 und 26 entfernt. Dieses bahnen wie ein Energiefilter, so daß die Ionen mit höherer elektrische Gleichfeld zieht die nicht in Resonanz be- Energie abgetrennt werden und daher das Auflösungsfindlichen Ionen aus der Mittelzone in einer Richtung ab, vermögen des Instrumentes noch verbessert wird,
die senkrecht zu dem magnetischen und zu dem elek- 45 Eine bevorzugte Schaltung der Erzeugung eines irischen Feld steht. Diese Einrichtung zur Entfernung Wechselfeldes wie bei Verwendung der Merkmale nach der nicht in Resonanz befindlichen Ionen ist zwar Fig. 2 und 4 ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Anordnung meistens ausreichend, ist aber insofern nicht ganz be- zeigt ebenfalls die Erzeugung eines konzentrierten friedigend, da sowohl die in Resonanz befindlichen wie elektrischen Wechselfeldes senkrecht zum Magnetfeld die nicht in Resonanz befindlichen Ionen abgeführt 50 praktisch nur in der Mittelzone der Kammer. Die hierzu werden können. dienende Einrichtung besteht wieder aus den beiden

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird ein Platten 25 und 26 im Gehäuse 12 und den dazwischenkonzentriertes Gleichfeld lediglich in der Mittelzone der Hegenden Ringelektroden 27 bis 30 mit rechteckförmigen Kammer zwischen den Ringelektroden 28 und 29 er- Öffnungen. Alle diese Platten und Elektroden sind vonzeugt, so daß die unerwünschten Ionen, welche sich dort 55 einander und vom Gehäuse isoHert. Jede der Elektroden27 sammeln, senkrecht zum magnetischen Feld und zum bis 30 ist mit der zunächst gelegenen Platte 25 bzw 26 Wechselfeld abgeführt werden. Bei der Ausführungsform verbunden. Dabei sind die Platten 29 und 30 mit der nach Fig. 4 wird das konzentrierte elektrische Gleichfeld Platte 26 über einen Kondensator 44, der als Blockmittels eines Spannungsteilers 38 zwischen den Platten 25 kondensator für Gleichstrom wirkt, verbunden. Zwischen und 26 hergestellt, der parallel zu der Wechselspannungs- 60 den Platten 25 und 26 Hegt eine Wechselspannungsquelle queUe 33 liegt. Von diesem Spannungsteiler führen An- 33, so daß ein konzentriertes Wechselfeld in der Mittelzone Schlüsse zu den Ringelektroden 27 bis 30. Eine Gleich- der Kammer entsteht. Dieses hat eine Frequenz gleich Spannungsquelle, vorzugsweise eine einstellbare Batterie der Eigenfrequenz der gewünschten Ionen, so daß diese 39, liegt zwischen den Ringelelektroden 28 und 29 auf der punktiert gezeichneten Spiralbahn beschleunigt parallel zu einem Teil 41 des Spannungsteilers, so daß in 65 werden. Diese Ionen treffen also schHeßh'ch die Sonde 34. der Mittelzone der Kammer ein konzentriertes Gleichfeld Die gleichzeitig in der Kammer gebildeten Ionen mit

entsteht. Gewünschtenfalls kann eine niederfrequente einer anderen Eigenfrequenz als der des elektrischen Feldes rechteckförmige Spannung an den Widerstand 41 gelegt oszilHeren in Bahnen in Form von Lissajous-Figuren werden, so daß ein pulsierendes Gleichfeld mit verhältnis- um den ionisierenden Elektronenstrahl herum und mäßig niedriger Pulsationsfrequenz zwischen den Elek- 70 bleiben auf die Mitte der Kammer beschränkt. Sie treffen

also nicht auf die Sonde 34 auf. Wenn diese Ionen jedoch alle in der Mittelzone verbleiben, erzeugen sie dort eine Raumladung, welche Nichtlinearitäten im Ausgangssignal des Instrumentes hervorruft. Zur Abführung dieser nicht in Resonanz befindlichen Ionen wird ein konzentriertes Gleichfeld in der Mittelzone der Kammer zwischen den Ringen 28 und 29 erzeugt, so daß die störenden Ionen senkrecht zum magnetischen und zum elektrischen Wechselfeld abgeführt werden. Zur Erzeugung dieses Gleichfeldes dienen ein Widerstand 45 und eine Gleichstromquelle, vorzugsweise eine einstellbare Batterie 46. Gewünschtenfalls kann auch ein niederfrequente pulsierende Spannung an den Widerstand 45 gelegt werden. In beiden Fällen wird durch das konzentrierte Gleichfeld eine Abführung der nicht in Resonanz befindlichen Ionen aus der Mittelzone senkrecht zum magnetischen und zum elektrischen Wechselfeld hervorgerufen. Diese Ionen treffen dann auf das geerdete Gehäuse 13 auf.

Zur weiteren Verbesserung der Trennung von Materialien verschiedener, aber nahezu gleicher Masse und zur Verbesserung des Auflösungsvermögens des Instrumentes wird ein konzentriertes elektrisches Gleichfeld an demjenigen Ende der Kammer, welches der Sonde 34 gegenüberliegt, erzeugt. Dies ist in Fig. 5 ebenfalls dargestellt. Zu diesem Zweck dient eine zweite Gleichstromquelle 47 zwischen den Platten 25 und 26 zusammen mit dem Kondensator 44, der ein Feld zwischen der Platte 26 und der Ringelektrode 30 erzeugt. Dieses Gleichfeld wirkt auf die unteren Teile der Spiralbahnen der in Resonanz befindlichen Ionen ein und wirkt als Energiefilter, d. h. spaltet die in Resonanz befindlichen Ionen höherer Energie noch weiterhin auf. Dadurch wird die Gesamtauflösung des Instrumentes noch weiter verbessert. Um einen Kurzschluß der Spannungen 46 und 47 zu vermeiden, kann ein Blockkondensator 48 zwischen die Gleichspannungsquellen und die Wechselspannungsquelle 33 eingeschaltet werden.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist folgende: Das zu untersuchende Material wird als Gas über die 4·° Einlaßöffnung 14 eingeführt und diffundiert in die Kammer 12 hinein. Die Gasmoleküle unterliegen dann der Einwirkung der Elektronen der Glühkathode 15, welche durch die Fokussierungselektrode 16 und die Anode 17 fokussiert wird. Der Elektronenstrahl bewegt sich parallel zum magnetischen Feld und wird in diesem zu einem Strahl gebündelt. Durch den Aufprall der Elektronen auf die Gasmoleküle entstehen Ionen, deren Massen für das betreffende Gas charakteristisch sind. Diese Ionen werden durch das Wechselfeld zwischen den Platten 25 und 26 und den Ringelektroden 27 bis 30 beschleunigt, so daß sie mit der Frequenz des Wechselfeldes oszillieren. Da sie sich dabei rechtwinkelig zum Magnetfeld bewegen, beschreiben sie gekrümmte Bahnen, deren Krümmungsradius stets durch die augenblickliche. Energie des Teilchens bestimmt ist. Da die Frequenz des Wechselfeldes gleich der Eigenfrequenz bestimmter abzutrennender Ionen ist, bewegen sich diese so, daß sie dem Wechselfeld ständig Energie entziehen. Daher bewegen sich diese Ionen auf sich dauernd erweiternden Spiralbahnen und treffen nach einer genügenden Anzahl von Umläufen auf die Sonde 34 auf, wo sie ein Ausgangssignal bilden, welches in dem Verstärker 35 verstärkt und im Gerät 36 angezeigt wird. Dabei wirkt das konzentrierte Gleichfeld am unteren Ende der Kammer als ein Energiefilter und verstärkt die Trennung der auf Spiralbahnen verlaufenden, in Resonanz befindlichen Ionen. Gleichzeitig damit werden die nicht in Resonanz befindlichen Ionen aus der Mittelzone der Kammer durch das konzentrierte Gleichfeld zwischen den Ringelektroden 28 und entfernt. Dieses Gleichfeld bewirkt zusammen mit dem magnetischen Feld eine Abführung dieser letzteren Ionen senkrecht zum Wechselfeld und zum magnetischen Feld längs einer zykloidenförmigeh Bahn. Dieses Gleichfeld ist nur sehr klein, so daß die Zeit zur Abführung der nicht in Resonanz befindlichen Ionen aus der Mittelzone der Kammer verhältnismäßig lang im Vergleich zur Laufdauer eines in Resonanz befindlichen Ions bis zur Sonde ist. Anderweitig würde das Gleichfeld sowohl auf die in Resonanz befindlichen Ionen als auf die ungewünschten Ionen einwirken. Durch Schaffung einer so langen Zeitkonstante für die Wirkung der Abführspannung wird die Empfindlichkeit des Instrumentes und sein Auflösungsvermögen nicht wesentlich beeinflußt, was die Wirkung des Abführfeldes auf die in Resonanz befindlichen Ionen betrifft. Da jedoch das Abführfeld die nicht in Resonanz befindlichen Ionen entfernt, bilden diese keine Raumladung, welche Nichtlinearitäten in dem Ausgangssignal des Instrumentes hervorrufen können. Das Auflösungsvermögen des Instrumentes wird durch dieses Abführfeld wesentlich erhöht.

Durch die Erfindung wird somit ein Massenspektrometer von sehr viel größerem Auflösungsvermögen geschaffen. Dieses Instrument enthält Mittel, welche den störenden Einfluß von Ungleichförmigkeiten der Wechselverteilung in der Analysenkammer ausschalten und Nichtlineaiitäten durch den Aufbau von Raumladungen in der Analysenkammer ohne Beeinträchtigung des Auflösungsvermögens beseitigt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Massenspektrometer mit einem homogenen konstanten magnetischen Feld, mit einem in der Mittelachse dieses Feldes verlaufenden und das zu untersuchende Gas ionisierenden Elektronenstrahl, mit zwei parallel zum magnetischen Felde verlaufenden Platten, an denen eine hochfrequente Wechselspannung liegt, mit einer Anzahl von ringförmigen Elektroden zwischen den Platten, mit einem elektrischen Gleichfeld zum Absaugen der unerwünschten Ionen und mit einem Auffänger in der Nähe der einen Platte zur Aufnahme der sich auf Spiralbahnen um den Elektronenstrahl herum bewegenden erwünschten Ionen einer mit der Wechselfeldfrequenz in Resonanz befindlichen Eigenfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Wechselfeld zur Beschleunigung der erwünschten und/oder das elektrische Gleichfeld zum Absaugen der unerwünschten Ionen im wesentlichen zwischen den dem Elektronenstrahl am nächsten liegenden Elektroden konzentriert sind und/oder daß die erwünschten Ionen vor dem Auftreffen auf die Sonde, vorzugsweise in dem der Sonde gegenüberliegenden Teil des Massenspektrometers, ein zusätzlich vorgesehenes, als Energiefilter wirkendes Gleichfeld passieren.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichfeld zum Absaugen der unerwünschten Ionen durch ein niederfrequentes Wechselfeld ersetzt wird.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das als Energiefilter wirkende Gleichfeld zwischen der dem Auffänger gegenüberliegenden Plattenelektrode und der dieser benachbarten ringförmigen Elektrode liegt.

4. Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, der Mitte der Elektronenordnung am nächsten liegenden ringförmigen Elektroden durch einen Widerstand miteinander verbunden sind, dem eine vorzugsweise regelbare Spannungsquelle parallel geschaltet ist.

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5. Massenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Auffänger gegenüberliegende Plattenelektrode mit der ihr benachbarten ringförmigen Elektrode über einen Kondensator verbunden ist und daß weiter an den Plattenelektroden eine Spannungsquelle liegt, der die mit einem Konden-

sator in Reihe liegende hochfrequente Spannungsquelle parallel geschaltet ist.

Wechsel-

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 627 034.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen