DE1034884B

DE1034884B - Vorrichtung zum Trennen von Ionen verschiedenen Ladungs-Masse-Verhaeltnisses

Info

Publication number: DE1034884B
Application number: DEB31505A
Authority: DE
Inventors: George H Hare; David R Margetts
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1953-09-08
Filing date: 1954-06-21
Publication date: 1958-07-24
Also published as: US2769093A; GB756623A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Trennen von Ionen verschiedenen Ladungs-Masse-Verhältnisses, die aus einer Ionenquelle und Mitteln zum anfänglichen Beschleunigen von Ionen aus dieser Quelle entlang einer Ionenstrecke bestehen.

In einer bekannten Vorrichtung der obigen Art werden die Ionen lediglich veranlaßt, in einem Zwischenelektrodenraum hin- und herzuschwingen. Moleküle der Gasprobe werden von dem Elektronenstrom ionisiert. Ein zwischen zwei Elektroden angelegtes Hochfrequenzfeld bewirkt, daß die Ionen in dem Zwischenelektrodenraum hin- und herschwingen. Eine Reihe anderer Elektroden mit festen Potentialen überlagern einem Wechselfeld ein Gleichspannungsfeld, wobei die Gleichspannung durch Verwendung von Reihenwiderständen eine parabolische Verteilung hat. In dieser bekannten Vorrichtung können nur Ionen mit einem solchen Verhältnis von Ladung zu Masse, daß sie mit der angelegten Wechselfrequenz in Resonanz sind, die Elektroden des Zwischenelektrodenraumes erreichen und angezeigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung der obigen Art, die eine bessere Bündelung des Ionenstrahks, eine hochspannungsmäßig sicherere und vereinfachte Schaltung, kleine Raumladungsdichte im Bereich des Ionenstrahles, unbehindertes Schwingen des bevorzugten Ionenstrahlabschnittes, Unterdrückung der Aussendung von -Sekundärelektronen und -ionen von der Auffangelektrode sowie eine empfindlichere und schneller ansprechende Anzeige der Zerlegungsmeßwerte ermöglicht.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch Analysatorvorrichtungen zum fortschreitenden und selektiven Verzögern der Ionen längs der Strecke gemäß ihren entsprechenden Massen, um die Ionen einer ausgewählten Masse mit einer kleinsten kinetischen Energie entlang der Strecke zu versehen, wobei die Analysatorvorrichtungen entlang der Strecke in Abstand angebrachte Elektrodenanordnungen und eine Vorrichtung zum Erregen der Elektrodenanordnungen, um aufeinanderfolgende, hochfrequente, alternierende elektrische Feldräume längs der Strecke zu schaffen, und zur Phaseneinstellung des Wechsels der Feldräume mit Bezug auf die Bewegung der Ionen entlang der Strecke aufweisen, wodurch ausgewählte Ionen in diesen elektrischen Feldräumen selektiv und fortschreitend verzögert werden, sowie weiterhin durch eine Auffangvorrichtung in der Strecke zum Sammeln nur solcher Ionen, deren Energie auf ein Minimum als Ergebnis der selektiven und fortschreitenden Verzögerung dieser Ionen längs der Strecke gemäß ihren entsprechenden Massen durch die Elektrodenanordnungen vermindert worden ist. Die Elektrodenanordnungen bestehen aus einer linearen Reihe Elektroden, Vorrichtung

zum Trennen von Ionen verschiedenen
Ladungs - Masse -Verhältnisses

Anmelder:

Beckman Instruments, Inc.,
ίο South Pasadena, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Pienzenauerstr. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. September 1953

George H. Hare und David R. Margetts,

Pasadena, Calif. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

die zwischen der Quelle und der Auffangvorrichtung angeordnet und abwechselnd in entgegengesetzter Polarität mit der Vorrichtung zum Erregen der Elektrodenanordnungen verbunden sind. Die Elektroden können aus mit Öffnungen versehenen Platten bestehen und in Abstand angeordnet sein, um Verzögerungsstufen fortschreitend abnehmender Länge entsprechend der fortschreitend abnehmenden Geschwindigkeit der Ionen von vorherbestimmtem Ladungs-Masse-Verhältnis zu schaffen. Erfindungsgemäß ist auch eine das Spektrum überstreichende Vorrichtung zum Ändern der Frequenz und/oder der Amplitude der alternierenden elektrischen Feld'räume vorhanden. Die Auffangvorrichtung umfaßt vorzugsweise elektrostatische Ablenkmittel, um die ausgewählten Ionen kleinster Energie von Ionen höherer Energie zu trennen. Die elektrostatischen Abknkrnittel bestehen aus einem Paar von in Abstand angeordneten Platten, die auf verschiedene Potentiale geladen und geeignet sind, um an der Auffangvorrichtung eintreffenden Ionen gekrümmte Flugbahnen zu erteilen und diese Ionen mit vorausbestimmtem Ladungs-Masse-Ver-

So hältnis in einem vorausbestimniten Brennweitenbereich zu fokussieren, und aus Mitteln in dem Brennweitenbereich zum Aussondern der Ionen des vorausbestimmten Ladungs-Masse-Verhältnisses. Diese Mittel können als Elektrode in dem Feld zwischen den

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Platten in solcher Anordnung gestaltet sein, daß der oder -potentiale verwendet werden können, während

Ionenstrahl an einem Ort ausgewählter kinetischer der Verzögerungsabschnitt des Analysators bevorzugt

Energie aufgenommen wird, so daß Ionen aufgefangen ein HF-Wechselstromabschnitt ist.

werden, deren kinetische Energie das genannte Mini- Die selektive Verzögerung der Ionen in dem

mum überschreitet. Es kann auch eine andere Elek- 5 HF-Abschnitt des Analysators gemäß der Erfindung

trode in solcher Anordnung verwendet werden, daß hat mehrere Vorteile im Vergleich mit der selektiven

die Ionen kleinster kinetischer Energie aufgenommen Beschleunigung der Ionen in einem solchen Analy-

werden, die nicht von der zuvor erwähnten Elektrode sator ab schnitt. Beispielsweise werden, da die Ionen

aufgefangen werden, und eine Meß vor richtung, die darin selektiv verzögert und nicht selektiv beschleunigt

an die andere Elektrode angeschlossen ist. io werden, höhere Beschleunigungsspannungen in dem

Ganz allgemein versieht die Vorrichtung nach der Anfangsbeschleunigungsabschnitt für gegebene BeErfindung geladene Teilchen unterschiedlicher Massen dingungen der endgültig erreichten Ionenenergie und mit kinetischen Energien oder Energiepegeln, die im des Massenzerlegungsvermögens an der Sammelvor-Verhältnis zu den Massen der entsprechenden Teil- richtung verwendet. Eine Folge der Anwendung chen stehen, so daß die Teilchen einer vorbestimmten 15 höherer Beschleunigungsspannungen ist die bessere oder ausgewählten Masse einen optimalen Energie- Bündelung des Ionenstrahles.

wert erhalten, der ein Minimum anstatt ein Maximum Ein weiterer Vorteil des Verzögerungssystems wie in bestimmten anderen Vorrichtungen der defl- gegenüber einem Beschleunigungssystem ist, daß die nierten Gattung ist. Die geladenen Teilchen mit dem eine Klemme des Stromanzeigers und der eine Elekoptimalen Energieniveau werden in einem Auffang- 20 trodensatz des HF-Analysatorabschnitts bequem mit system gesammelt, das ein Signal erzeugt, das als einem gemeinsamen Erdpotentialpunkt verbunden Anzeigefunktion zur Kontrolle oder Regelung, zur werden kann. Dies bedeutet, daß die HF-Konstruk-Aufzeichnung oder zu irgendeiner anderen geeigneten tion (d. h. eine Gruppe ihrer Elektroden) an einem geFunktion verwendet werden kann. Erfindungsgemäß erdeten Metallkolben angebracht werden kann, ohne wird also ein zu analysierender Stoff ionisiert, und die 25 daß Isolatoren in dem Elektrodentragteil verwendet Ionen einer vorbestimmten oder ausgewählten Masse werden müssen, wobei der Metallkolben zweckwerden mit einem optimalen kinetischen Energiepegel mäßigerweise an Erdpotential liegt. Gleichzeitig kann versehen, so daß der relative Überschuß an von der der Stromanzeiger so geschaltet werden, daß eine Probensubstanz abgeleiteten Ionen der ausgewählten Seite geerdet ist. Dies ist aus zwei Gründen erMasse bestimmt werden kann. Durch Abtasten oder 3° wünscht, da nämlich die Abschirmung gegen Streu-Zerlegen des Massenspektrums, d. h. dadurch, daß der felder erleichtert wird und da es nicht erforderlich Reihe nach jede der Ionenmassen in einem ausgewähl- ist, die Bedienungsperson gegen Stromstöße oder ten Massenbereich zu der ausgewählten Masse gemacht gegen Kapazitätskopplung über die Bedienungsperson wird, kann die proportionale Häufigkeit jedes von der nach Erde zu schützen. In einem Beschleunigungs-Probe abgeleiteten Ions verschiedener Massen be- 35 system sind andererseits der Stromanzeiger und die stimmt werden, so daß eine qualitative und quanti- HF-Elektrodenkonstruktion durch eine Gleichspantative Analyse der Probe vorgenommen werden kann. nung von vielleicht Tausenden von Volt getrennt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung wird so be- Ein weiterer Vorteil der selektiven Verzögerung tätigt, daß in das eine Ende des evakuierten Kolbens der Ionen in dem HF-Abschnitt des Analysators erder Röhre eine Probensubstanz, z. B. ein Gasgemisch, 4° gibt sich daraus, daß es in jeder ionenoptischen Vormit sehr niedrigem Druck eingeleitet wird. Die richtung erwünscht ist, die Raumladungsdichte in Probensubstanz wird ionisiert, und die entstehenden dem Bereich eines Ionenstrahles so klein wie möglich Ionen fließen in den aus mehreren Elektroden bestehen- zu halten. Ein durch einen Raumbereich fließender den Analysator. An diesen Elektroden liegt in ent- Strom geladener Teilchen stellt eine Raumladungssprechend verteilter Weise Gleich- und Wechselspan- 45 j ,..,.„ ,. , , ,. , „ j. . .... τ-. . ijT dichte P= — her, wobei 7 die Stromdichte und ν die

nung, so daß die kinetischen Energiepegel der Ionen ν '

gemäß ihren Massen selektiv geändert werden, wobei Geschwindigkeit der Teilchen ist. Es ist erwünscht, Ionen einer besonderen vorbestimmten Masse mit dem die Ladungsdichte P möglichst klein in allen ionenoptimalen Energiewert versehen werden. Von dem optischen Vorrichtungen zu halten, da ein hohes P die Analysator strömen die selektiv erregten Ionen zu 5° durch die Feldelemente in anderer Weise definierten dem erwähnten Auffangsystem, wobei nur Ionen der elektrischen Felder verzerrt und auch eine Streuung vorbestimmten Masse die geeignete Energie haben, der Ionenstrahlen bewirkt. Diese Streuung in senkum an eine Sammel- oder Auffangvorrichtung ge- rechter Richtung zu dem Ionenfluß ist eine Funktion langen zu können, wie z. B. an eine geladene Elek- der Massenzahl M und nimmt mit der Massenzahl trode. Der entstehende Ionenstrom oder das Signal 55 der Ionen zu. Ein größerer Bruchteil schwerer Ionen tritt an einer geeigneten Anzeige- oder Schreibvor- geht deshalb an den Wänden der HF-Elektroden verrichtung auf oder wird mittels einer Kontroll- oder loren, als dies bei leichten Ionen der Fall ist. Diese Steuervorrichtung zur Ausführung einer geeigneten massenselektive Dämpfung kann hinsichtlich der Kontroll- oder Regelfunktion od. dgl. verwendet. relativen Spitzenhöhen an dem Massenspektrum Feh-Die aus der Ionisierungsvorrichtung herausgeschleu- ^6o ler von mehreren Prozent bei den höheren Stromderten Ionen werden anfänglich in dem Beschleuni- werten verursachen, deren Anwendung erwünscht ist. gungsabschnitt des Analysators auf verschiedene Wenn man die durchschnittliche Ionengeschwindig-Geschwindigkeiten gemäß ihren Massen beschleunigt keit so hoch wie möglich hält, wird die Ladungsdichte und danach in dem Verzögerungsabschnitt des Analy- an jedem Punkt am niedrigsten.

sators in solcher Weise selektiv verzögert, daß der ⁶5 Da bei vielen analysierten Proben der größte Teil

kinetische Energiepegel der Ionen der ausgewählten des Stromes in dem HF-Abschnitt des Analysators

Masse auf ein Minimum reduziert wird. An den Be- und in dem Auffangsystem aus Ionen anderer Massen

schleunigungsabschnitt des Analysators werden vor- als der ausgewählten Masse entsteht, ist die sich aus

zugsweise Gleichspannungen oder -potentiale angelegt, der Verzögerung der Ionen in dem HF-Abschnitt erobgleich in manchen Fällen auch Wechselspannungen 70 gebende durchschnittliche Ionengeschwindigkeit in-

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folge der Tatsache, daß nur die Ionen der aus- Masse einer Verzögerung in jedem Zwischenelekgewählten Masse auf einen minimalen kinetischen trodenraum unterworfen sind. Es können Elektroden Energiepegel verzögert werden, höher, als wenn die jeder beliebigen Form in dem HF-Analysatorabschnitt Ionen selektiv beschleunigt werden. Somit werden die verwendet werden, z. B. röhrenförmige Elektroden, gewünschte hohe Durchschnittsionengeschwindigkeit 5 mit öffnungen versehene Platten, Gitter od. dgl.
und die daraus resultierende geringe Raumladungs- In dem HF-Analysatorabschnitt ist der Energiedichte durch selektive Verzögerung der Ionen in dem verlust durch Ionen der vorbestimmten Masse an HF-Analysatorabschnitt im Gegensatz zu dem Fall jedem Zwischenelektrodenspalt oder -raum über den erhalten, bei dem die Ionen in dem HF-Abschnitt gesamten Abschnitt konstant. Dies wird nicht nur selektiv beschleunigt werden. In einer Beschleuni- io durch fortschreitende Verkleinerung der Stufenlänge gungsanlage ist, relativ ausgedrückt, die durchschnitt- im erwähnten Sinne, sondern durch Abnahme der liehe Ionengeschwindigkeit klein und die Raum- Längen der Verzögerungsfelder an den Zwischenladungsdichte hoch, da nur die Ionen der bevor- elektrodenspalten von dem strömungsaufwärts gezugten Masse oder der sehr angenähert bevorzugten richteten Ende zu dem strömungsabwärts gerichteten Masse hohe Geschwindigkeiten erreichen, während 15 Ende des HF-Analysatorabschnitts in solcher Weise die anderen, nicht bevorzugten Ionen, die gewöhnlich gewährleistet, daß jedes Teilchen der vorbestimmten den größten Teil der vorhandenen Ionen bilden, viel Masse einem geometrisch ähnlichen Verzögerungsfeld kleinere Geschwindigkeiten in einem Beschleunigungs- über die gleiche Zeitdauer in jedem Zwischeneleksystem haben, wodurch die durchschnittliche Ionen- trodenspalt ausgesetzt wird. Die Längen der Vergeschwindigkeit beträchtlich herabgesetzt wird. 20 zögerungsfelder nehmen durch die fortschreitende

Noch ein weiterer Vorteil der Verzögerungsanlage Verkleinerung der Elektrodenabstände und/oder in nach der Erfindung, d. h. der selektiven Verzögerung gewissen Fällen der gewählten seitlichen Abmessunder Ionen in dem HF-Analysatorabschnitt, ergibt sich gen gemäß der fortschreitenden abnehmenden Gedaraus, daß in dem Auffangsystem der bevorzugte schwindigkeit der Ionen der ausgewählten Masse lonenstrahlabschnitt kleinster Energie leicht dazu 25 fortschreitend ab. In dem HF-Analysatorabschnitt ist veranlaßt werden kann, unbehindert von allen Bau- auch die Laufzeit von einem Zwischenelektrodenspalt elementen mit Ausnahme der Auffangelektrode zu zu dem nächsten über den gesamten Abschnitt für schwingen. Der bevorzugte Teil des Ionenstrahles, Teilchen der vorbestimmten Masse konstant,
der aus dem HF-Analysatorabschnitt heraustritt, Obgleich die Vorrichtung nach der Erfindung unter kann dann auf eine Sammelelektrode treffen, die 30 Anlegung einer Wechselspannung mit Sinuswellenweniger genauen Anordnungs- und Gestaltungs- form an die Elektroden des HF-Analysatorabschnitts anforderungen unterliegt, als es bei einer entsprechen- verwendet werden kann, wird an diese Elektroden den Auffangelektrode in einem Beschleunigungs- vorzugsweise eine Wechselspannung unterschiedlicher system der Fall ist, in dem die Ionen der bevorzugten Wellenform angelegt, z. B. mit quadratischer Wellen-Masse minimale Energie haben. Auf Grund der vor- 35 form oder Impulswellenform. Die quadratische Wellenstehenden Erwägungen kann auch ein Auffang- oder form hat im besonderen den Vorteil, daß ein größerer Sammelsystem entwickelt werden, das die Emission Signalausgangsstrom erzeugt wird, während die von Sekundärelektronen und/oder positiven und Impulswellenform in Verbindung mit einer geeigneten negativen Sekundärionen von der Auffangelektrode HF-Analysatorkonstruktion ein besseres Zerlegungsunterdrückt, da die Konstruktion von sonst be- 40 vermögen erreichen läßt. Die Abtastung oder Zergrenzenden geometrischen Anforderungen unabhängig legung des Massenspektrums, d. h. die Maßnahme, gemacht werden kann. aufeinanderfolgende Ionenmassen zu der bevorzugten

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Zu- Ionenmasse zu machen, erfolgt durch Änderung der sammenhänge hinsichtlich der vorteilhaften Wirkung Frequenz und/oder der Amplitude der Wechselder selektiven Ionenverzögerung in dem HF-Analy- 45 spannung, die an den Elektroden des HF-Analysatorsatorabschnitt des Sammelsystems wird erfindungs- abschnitts liegt. Die Hochfrequenz in dem Analysatorgemäß ein elektrostatisches Ablenksammelsystem ge- abschnitt kann auch frequenzmoduliert werden, um schaffen, das die Ionen verschiedener Massen und die Schärfe der Massenspitzen zu verringern, so daß entsprechend verschiedener Energiewerte mit ent- die erforderliche Ansprechgeschwindigkeit der Ansprechend unterschiedlichen Trajektorien oder Flug- 50 Zeigevorrichtung verkleinert wird,
bahnen ausrüstet, wobei eine Auffangelektrode oder Die Erfindung ist an Hand von Ausführungs- -anode in dem Sammelsystem an einem ausgewählten beispielen in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt Energiepunkt angeordnet ist, um alle Ionentrajek- Fig. 1 eine schematische Ansicht eines HF-Massentorien mit Ausnahme der Flugbahn der Ionen der spektrometer nach der Erfindung, das eine Ausausgewählten Masse aufzufangen. Auf diese Weise 55 führungsform eines HF-Wechselstromanalysatorabschwingt, wie vorher erwähnt wurde, die bevorzugte Schnitts nach der Erfindung enthält,
Trajektorie, d. h. die Flugbahn der Ionen der be- Fig. 2 eine schematische Ansicht einer anderen vorzugten Masse, unbehindert von allen Bauelementen Ausführungsform eines HF-Wechselstromanalysatordes Sammelsystems mit Ausnahme der Elektrode zum abschnitts nach der Erfindung,
Sammeln der Ionen der bevorzugten Masse. 60 Fig. 3 ein Schaubild, das das tatsächliche und das

Durch die spezielle Ausbildung des HF-Analysator- ideale Verzögerungsfeld vergleicht, das an die Ionen

abschnitts wird eine Reihe von Verzögerungsstufen über eine gesamte Stufenlänge in dem Analysator-

mit fortschreitend abnehmender Länge längs der abschnitt angelegt wird, der in Fig. 2 veranschau-

Ionenstrecke in Übereinstimmung mit der fortschrei- licht ist,

tend abnehmenden Geschwindigkeit der Ionen der 65 Fig. 4 a bis 4c schematische Ansichten zur Verausgewählten Masse geschaffen. Die an die Elek- anschaulichung der Arbeitsweise des Analysatortroden angeschlossene Wechselspannungsquelle be- abschnitts nach Fig. 2, wobei eine Wechselspannung wirkt, daß benachbarte Elektroden in der aus- mit Sinuswellenform daran angelegt ist,
gerichteten Reihe abwechselnd entgegengesetzte PoIa- Fig. 5 a bis 5 c schematische Ansichten, welche die rität erhalten, so daß die Ionen der bevorzugten 70 Arbeitsweise des Analys-atorabschnitts der Fig. 2 ver-

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anschaulichen, wobei eine Wechselspannung quadra- werden können und daß die Erfindung nicht auf die

tischer Wellenform daran angelegt ist, besondere hier dargestellte Ionenquelle beschränkt ist.

Fig. 6a bis 6c schematische Ansichten, welche die Die in der Ionisationskammer 22 gebildeten Ionen

Arbeitsweise des Analysatorabschnitts nach Fig. 2 werden von dem Analysatorabschnitt 13, der aus den

veranschaulichen, wobei eine Wechselspannung in 5 Teilen 27, 28 und 29 besteht und an den Gleich-

Impulsform daran angelegt ist, und/oder Wechselspannungen angelegt sind, längs der

Fig. 7a bis 7c schematische Ansichten, welche die lonenstrecke 16 in Strömungsrichtung beschleunigt

Arbeitsweise des HF-Analysatorabschnitts nach und gebündelt. In Fig. 1 liegen an diesen Elementen

Fig. 1 veranschaulichen, wobei eine Wechselspannung Gleichspannungen. Es wird darauf hingewiesen, daß

mit Sinuswellenform daran angelegt ist, und io die äußeren Verbindungen der verschiedenen Bauteile

Fig. 8 a bis 8 c schematische Ansichten, welche die der Ionisierungsvorrichtung 11 und des Analysator-

Arbeitsweise des HF-Analysatorabschnitts der Fig. 1 abschnitts 13 nur als Beispiel dargestellt sind, wie es

veranschaulichen, wobei eine Wechselspannung quadra- auch bei der entsprechenden Gleichspannung in Fig. 1

tischer Wellenform daran angelegt ist. der Fall ist.

In Fig. 1 ist eine HF-Massenspektrometerröhre 10 15 Somit werden die von der Ionisierungsvorrichtung nach der Erfindung dargestellt, die eine Ionisierungs- 11 erzeugten Ionen von dem Analysatorabschnitt 13 vorrichtung oder Ionenquelle 11, einen Analysator 12 beschleunigt und dadurch in einen Ionenstrahl gemit einem Beschleunigungsabschnitt 13 und einem bündelt, der dann in den Verzögerungsanalysator-Verzögerungsabschnitt 14 sowie ein Auffang- oder abschnitt 14 oder in den Verzögerungsanalysator-Sammelsystem 15 enthält. Der Beschleunigungs- ao abschnitt 19 eintritt. Das gesamte Gleichstrompotenanalysatorabschnitt 13, der im folgenden auch als tial, durch das die Ionen in dem Analysatorabschnitt Ionenstrahlbündelungsvorrichtung bezeichnet wird, 13 fallen, kann mit dem Zeichen F₀ bezeichnet werwird vorzugsweise durch daran angelegte Gleich- den, wobei diese Beschleunigungsgleichspannung eine spannungen erregt, während der Verzögerungs- Streuung oder Spreizung der lonengeschwindigkeiten abschnitt 14 durch Wechselspaonungen, bevorzugt 25 gemäß der Masse in dem Ionenstrahl herstellt, der Hochfrequenzspannungen, gespeist wird. Die Ionisie- den Analysatorabschnitt 13 verläßt. Da jedoch die rungsvorrichtung 11 und das Sammelsystem 15 sind gleiche Beschleunigungsspannung an alle Ionen unan dem strömungsaufwärts bzw. an dem strömungs- abhängig von der Masse angelegt wird, haben die abwärts gerichteten Ende einer lonenstrecke oder Ionen in dem Ionenstrahl, der den Analysatorabschnitt -bahn 16 angeordnet, wobei sich der Analysator 12 30 13 verläßt, natürlich alle die gleiche kinetische dazwischen befindet. Die vorgenannten Elemente oder Energie, vorausgesetzt, daß bestimmte Sekundär-Bauteile sind in einer Umhüllung, Gehäuse oder effekte, beispielsweise die anfängliche Grundwärme-Kolben 17 aus einem geeigneten Material unter- energie, vernachlässigbar sind und alle betrachteten gebracht, der ununterbrochen durch eine geeignete Ionen gleiche Ladung tragen. Die Änderung einer Vorrichtung evakuiert wird, die hier nicht dargestellt 35 oder mehrerer der an die Elemente 27 bis 29 anist, da solche Vorrichtungen allgemein bekannt sind. gelegten Bündelungsspannungen ändert nicht die Ge-

Der HF-Analysatorabschnitt, der in Fig. 2 gezeigt schwindigkeitsverteilung der Teilchen in dem aus

und insgesamt mit der Bezugsziffer 19 bezeichnet ist, dem Analysatorabschnitt 13 austretenden Strahl, son-

kann den HF-Analysator 14 ersetzen. Der Aufbau dem nur ihre Bündelungs- und Raumverteilung. Die

und die Arbeitsweise beider Analysatorabschnitte 40 gesamte Beschleunigungsgleichspannung V₀ wird je-

werden im folgenden ausführlich erläutert. doch verhältnismäßig groß gemacht, um eine relativ

Die Ionisierungsvorrichtung 11 weist eine Kathode große Geschwindigkeitsstreuung oder -spreizung zu

21 zur Erzeugung von Elektronen auf, die bei ihrer erhalten. Große Werte von V₀ ergeben auch verAnnäherung an eine mehr oder weniger geschlossene hältnismäßig hohe lonengeschwindigkeiten, so daß Ionisationskammer 22, in der die Ionisation erfolgt, 45 die durchschnittliche lonengeschwindigkeit über den beschleunigt werden. Eine Heizdrahtabschirmung 23 gesamten Verzögerungsanalysatorabschnitt 14 und das umschließt mehr oder weniger die Kathode 21, um zu gesamte Sammelsystem 15 möglichst groß und die verhindern, daß die Elektronen andere Elemente als Raumladungsdichte überall aus den vorher erörterten die Ionisationskammer 22 erreichen, und eine Span- Gründen möglichst klein gemacht wird. Tatsächlich nung zwischen einer Elektronensammelelektrode 24 50 können entweder positive oder negative Ionen in den und der Ionisationskammer hält an der Sammel- Analysatorabschnitt 14 durch den Analysatorabschnitt elektrode 24 gebildete Sekundärelektronen außerhalb 13 beschleunigt werden. Die folgenden Ausführungen der Ionisationskammer 22. stützen sich zur Vereinfachung auf positive Ionen,

Zur Ionisierung einer Gasgemischprobe wird eine wobei es begreiflich ist, daß erforderlichenfalls auch kleine Menge des Gemisches in den evakuierten KoI- 55 negative Ionen durch Umkehrung der Polarität geben oder Gehäuse 17 der Röhre in der Nähe der handhabt werden können.

Ionisationskammer 22 eingeleitet, so daß Ionisation Der Verzögerungsanalysatorabschnitt 14 enthält eine des Gasgemisches in diesem Bereich stattfindet, wenn ausgerichtete Reihe, bevorzugt eine lineare Reihe Zusammenstöße zwischen den beschleunigten Elek- Elektroden 30, die längs der lonenstrecke 16 in Abtronen und den Gasmolekülen auftreten. Das Gas- ⁶o ständen angeordnet und als mit Öffnungen versehene gemisch tritt vorzugsweise in die Ionisationskammer Platten, bevorzugt als Scheiben, ausgebildet sind. In

22 durch eine Gassickeranordnung 25 ein, mit deren entsprechender Weise enthält der in Fig. 2 dar-Hilfe die Zuleitung der Probe genau geregelt werden gestellte Verzögerungsanalysatorabschnitt 19 eine kann. lineare, ausgerichtete Reihe Elektroden 31, die in Ab-

Infolgedessen dienen die bisher beschriebenen EIe- 65 ständen voneinander längs der lonenstrecke 16 an-

mente als Vorrichtungen zur Erzeugung von Ionen geordnet sind. Die Elektroden 31 sind in der gezeigten

des zu analysierenden Stoffes, der in der besonderen Sonderkonstruktion axial ausgerichtete Röhren. Je-

hier betrachteten Anwendung der Erfindung ein Gas weils die der Reihenfolge nach übernächsten oder

ist. Jedoch ist es begreiflich, daß andere lonenquellen zweiten Einzelelektroden 30 sind darstellungsgemäß

bei anderen Probensubstanzen gegebenenfalls benutzt 70 elektrisch miteinander verbunden, wobei die beiden

Elektrodengruppen an eine geeignete Wechselspannungsquelle, vorzugsweise an eine HF-Spannungsquelle, in solcher Weise angeschlossen sind, daß benachbarte Elektroden zu einem beliebigen Zeitpunkt entgegengesetzte Polarität haben. Mit anderen Worten ausgedrückt: Benachbarte Elektroden 30 der linearen ausgerichteten Reihe werden mit abwechselnd entgegengesetzten Polaritäten versehen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die beiden Gruppen der Elektroden 30 zwischen die Ausgangsklemmen eines Oszillators 33 geschaltet werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Röhrenelektroden 31 sind auch mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle, z. B. mit einem Oszillator, in der gleichen Weise verbunden, so daß benachbarte Einzelelektroden 31 in entsprechender Art mit abwechselnd entgegengesetzten Polaritäten versehen werden.

Unabhängig von der Elektrodenart bilden sie eine sich wiederholende Konstruktion zur Ausbildung einer Reihe Verzögerungsstufen, deren Länge in Übereinstimmung mit der fortschreitenden Verkleinerung der Geschwindigkeit der Ionen der bevorzugten Masse fortschreitend abnimmt.

Wie im folgenden ausführlich behandelt wird, verzögern die Verzögerungsanalysatorabschnitte 14 und 19 die aus dem Analysatorabschnitt 13 austretenden Ionen verschiedener Massen unterschiedlich in solcher Weise, daß Ionen einer vorbestimmten Masse eine Senkung ihres Energiewertes auf ein Minimum erfahren, wobei die Ionen der vorbestimmten Masse eine Komponente des zu analysierenden Stoffes oder Substanz darstellen. Es ist begreiflich, daß das elektrische Feld an jedem Raum oder Spalt zwischen den Elektroden 30 abwechselnd gegen die Strömungsrichtung und in der Strömungsrichtung wirkt, wobei das Feld an jedem Zwischenelektrodenspalt oder -raum während der einen Hälfte jeder Periode der Wechselspannung in Strömungsridhtung und während der folgenden Hälfte gegen die Strömungsrichtung wirkt. Ebenfalls wirken die Felder in benachbarten Räumen zwischen den Elektroden 30 in entgegengesetzten Richtungen zu irgendeinem Zeitpunkt infolge der gezeigten Wechselschaltung an die Wechselspannungsquelle.

Ähnliche Betrachtungen treffen selbstverständlich für die elektrischen Felder in den Zwischenelektrodenspalten 34 zwischen den röhrenförmigen Elektroden 31 des Analysatorabschnitts 19 zu. Legt man nunmehr das Prinzip der Analysatorabschnitte 14 und 19 kurz fest, so wird der Energiepegel der Ionen der bevorzugten Masse, die in die Abschnitte 14 und 19 in Phase mit der an die entsprechenden Elektroden 30 und 31 angelegten Verzögerungswechselspannung eintreten, auf ein Minimum vermindert, während alle anderen Ionen, welche die Analysatorabschnitte 14 und 19 überwinden, aus diesen mit höheren Energiewerten austreten, wie es weiter unten im einzelnen erörtert wird. Somit werden die verschiedenen Ionen, die sich hinsichtlich ihrer Energie in Übereinstimmung mit der Masse unterscheiden (zusammen mit verschiedenen anderen geladenen Teilchen, beispielsweise Streuionen, die in Strömungsrichtung von der Ionisationskammer 22 gebildet werden, von den Elektroden 30, 31 emittierte Sekundärelektronen u.dgl.), aus den Analysatorabschnitten 14 und 19 in das Sammelsystem 15 ausgestoßen oder entladen, wie ausführlich in den folgenden Absätzen dargelegt wird.

Der in dem Sammelsystem entwickelte Ionenstrom oder Zeichen ist ein Maß des relativen Ionenüberflusses oder -menge der vorbestimmten Masse.

Das Verhältnis der Ionen der ausgewählten Masse zu den Ionen aller in der zu analysierenden Probe vorhandenen Massen kann durch Abtastung oder Zerlegung des gesamten vori der Probe abgeleiteten Massenbereiches oder Spektrums bestimmt werden. Dies kann, wie später im einzelnen ausgeführt wird, dadurch geschehen, daß die Frequenz und/oder die Amplitude des Wechselpotentials geändert wird, das an den Verzögerungsanalysatorabschnitt 14 oder 19

ίο angelegt wird. Wie vorher erwähnt wurde, kann der in dem Sammelsystem 15 entstehende Ionenstrom benutzt werden, um eine Anzeige- und Aufzeichnungsvorrichtung zu betätigen, oder er kann zur Durchführung einer Kontroll- oder Regelfunktion benutzt

iS werden, beispielsweise zur Steuerung der Verhältnisse der in dem zu analysierenden Stoff gegenwärtigen, ausgewählten molekularen Komponenten. Eine solche Anzeige-, Aufzeichnungs- und/oder Steuervorrichtung ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet.

so Das Sammelsystem 15 enthält in Abstand angeordnete parallele Elektroden oder Anoden 40 und 41, zwischen denen im allgemeinen eine Gleichspannung liegt, wie man aus den äußeren Verbindungen dieser Elektroden erkennt, die in Fig. 1 als Beispiel gegeben sind. In der besonderen Konstruktion nach Fig. 1 sind die Elektroden 40 und 41 relativ zu der Ionenstrecke 16 unter einem Winkel von angenähert 45° geneigt, obgleich auch andere Winkel angewandt werden können.

Der Ionenstrahl aus dem Analysatorabschnitt 14 oder 19 tritt in den Raum zwischen den Elektroden 40 und 41 durch eine öffnung 40 a in der Elektrode 40 ein, wobei die Ionen in dem Strahl kinetische Energien entsprechend ihren zugehörigen Massen und Ionen der bevorzugten Masse kleinste kinetische Energie haben, wie vorher erwähnt wurde. Auf Grund dieser kinetischen Energiestreuung oder -verteilung gemäß der Masse und auf Grund der zwischen den Elektroden 40 und 41 vorhandenen Spannungsdifferenz folgen die Ionen verschiedener Massen verschiedenen parabolischen Trajektorien oder Flugbahnen, z. B. den Bahnen 42, 43 und 44. Offenbar kann die Flugbahn 42 so betrachtet werden, daß ihr die Ionen der vorbestimmten Masse folgen, da sqiche Ionen, deren kinetischer Energiewert ein Minimum ist, am meisten von der Spannungsdifferenz zwischen den Platten 40 und 41 abgelenkt werden. Die Trajektorien 43 und 44 veranschaulichen Wege, denen die nicht bevorzugten Ionen folgen, die höhere kinetische Energiepegel haben. Eine Anode oder Elektrode 45 ist zwischen und parallel zu den Elektroden 40 und 41 angeordnet, wobei ihre Kante 46 eine ausgewählte Energielage einnimmt. Die Lage der Kante 46 ist so gewählt, daß die Elektrode 45 alle Ionenbahnen auffängt, mit Ausnahme der Ionen-

^r~^r! trajektorie 42, der die bevorzugten Ionen kleinster Energie folgen. Genauer ausgedrückt wird, falls der Winkel zwischen den parallelen Platten 40, 41, 45 und der Ionenstrecke 16 mit Θ bezeichnet wird, so angebracht, daß ihre Kante 46 an der »Spitze« der parabolischen Bahn 42 angeordnet ist, die ebenfalls den Winkel Θ mit der Elektrode 40 an dem Eintrittspunkt durch die öffnung 40a und an dem Punkt bildet, wo die Trajektorie 42 den Zwischenelektrodenraum durch eine öffnung 40 b verläßt. Die an die Elektrode 45 angelegte Spannung wird so eingestellt, daß sie das gleichmäßige Feld zwischen den Platten 40 und 41 , nicht stört.

:- Infolgedessen werden die Ionen, wenn der Ionen-

70»strahl in den Raum zwischen den Elektroden 40'und

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41 durch die Öffnung 40 a eintritt, in viele parabo- verringern. Die Elektrode 50 kann darstellungsgemäß

lische Trajektorien gemäß ihren kinetischen Energien eine mit Öffnungen versehene Platte oder ein Gitter

getrennt, wobei die Potentiale zwischen den Elek- od. dgl. sein.

troden 40 und 41 durch einen Spannungsteiler 51 so Im nochmaligen Zusammenhang mit den Verzögeeingestellt werden, daß die Bahn 42 der Ionen klein- 5 rungsanalysatorabschnitten 14 und 19 wird entsprester Energie, d. ¹Ii. der Ionen der bevorzugten Masse, chend einem früheren Hinweis bemerkt, daß nur Ionen gerade noch unbehindert an der Kante 46 der Platte der bevorzugten Masse, die in einen der beiden Ver-45 vorbeiläuft. Der Spannungsteiler 52 liefert eine zögerungsanalysatorabschnitten in Phase mit der Spannung zwischen den Elektroden 40 und 45, die ein daran angelegten Wechselspannung eintreten, auf fester Bruchteil der gesamten Ablenkspannung zwi- io einen minimalen Energiepegel verzögert werden, wosehen den Elektroden 40 und 41 ist, die voreingestellt bei die Amplitude und die Frequenz der angelegten wird, um ein gleichmäßiges Feld zwischen den Elek- Wechselspannung bestimmen, welche Ionenmasse die troden 40 und 41 zu erhalten. Somit trennt die Platte bevorzugte Masse ist. Alle anderen Teilchen außer der 45 die Trajektorie 42 der bevorzugten Ionen von den bevorzugten Masse, die in einen der Analysator-Flugbahnen, beispielsweise 43 und 44, der nicht be- 15 abschnitte 14 und 16 eintreten, verlassen diese Abvorzugten Ionen. schnitte mit höherer kinetischer Energie. Die nicht

Ein wichtiges Merkmal der Sammelvorrichtung bevorzugten Teilchen werden weniger verzögert als liegt in der Bündelungseigenschaft des gleichförmigen die bevorzugten Teilchen zu gewissen Zeitpunkten, elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 40 und werden zu anderen Zeitpunkten überhaupt nicht ver-41. Alle Ionen, die einen gegebenen einzelnen kine- 20 zögert oder werden beschleunigt usw. (Eine Modifitischen Energiewert haben und durch die Öffnung 4Oo zierung der vorstehenden Bemerkungen ist erfordereintreten, beschreiben unabhängig von ihrer seitlichen Hch, wenn schwerere Teilchen als die bevorzugten Lage innerhalb der Breite des Strahles 16 parabo- Teilchen einen Zustand der Phasenstabilität erreichen, lische Wege gleichen maximalen Abstandes von der wie im folgenden erläutert ist.)

Elektrode40 oder erreichen gleiche maximale» Höhen« 35 Wie vorher kurz erwähnt wurde, ist es begreiflich, mit Bezug auf diese Elektroden. Eine gerade Hüll- daß das elektrische Feld in jedem Zwischenelektrodenkurve wird durch die Spitzen der parabolischen spalt oder -raum abwechselnd entgegen der Strö-Bahnen der Ionen dieser Einzelenergie gebildet, der- mungs richtung und in der Strömungsrichtung wirkt, art, daß sie parallel zu den Platten 40 und 41 ver- derart, daß das Feld in jedem Zwischenelektrodenläuft. An dem Punkt des maximalen Abgangs oder 30 spalt oder-raum strömungsabwärts während der einen der maximalen Höhe von der Elektrode 40 ist für die Hälfte jeder Periode der Wechselspannung und ströbesondere Parabel, die von einem Teilchen durch den mungsaufwärts gerichtet während der darauffolgen-Mittelpunkt der Öffnung 4Oo beschrieben wird, die den Halbperiode wirkt.

Strahlbreite in einer zu der Elektrode 40 senkrechten In dem Analysatorabschnitt 14, der dünne, mit öff-Richtung extrem klein, verglichen mit der an der 35 nungen versehene Platten oder Scheiben als Elektro-Öffnung40o gemessenen Strahlbreite, vorausgesetzt, den 30 verwendet, erstreckt sich das Feld in jedem daß die Stra'hlbreite beträchtlich kleiner als die Zwischenelektrodenspalt oder -raum selbstverständ-Spitzenhöhe der Parabeln von der Elektrode 40 ist. Hch über den gesamten Abstand zwischen den Elek-Eine wirksame Absonderung der Teilchen der bevor- troden, d. h. praktisch über die volle Stufenlänge. Jezugten Masse wird erreicht, da die Strahlen verschie- to doch verläuft das elektrische Feld bei röhrenförmigen dener Masse (die verschiedene Energien haben), die Elektroden in jedem Zwischenelektrodenspalt 34 in aus dem HF-Analysatorabschnitt hervortreten, räum- jede Röhrenelektrode nur um etwa einen Röhrenradius lieh in dem Bereich der besten Brennweite oder Bünde- hinein in dem Sinne, daß bei einem Radius von dem lung in der Nachbarschaft der Kante 46 vollständig Zwischenelektrodenspalt, gemessen längs der Achse getrennt werden können, wobei nur der bevorzugte 45 der Röhren (Achse des Ionenstrahles), das elektrische Strahl unter die Kante 46 fällt, während andere Feld auf ungefähr drei Zehntel der maximalen Feld-Strahlen oberhalb des Flügels oder Blattes 45 ver- stärke abgefallen ist, die in dem Spalt zu irgendeinem laufen. Die vollständige räumliche Trennung diskreter Zeitpunkt vorherrscht. Als Energieverlust eines Teil-Strahlen verschiedener Masse wird dadurch unter- chens in der Stufe ausgedrückt verliert das Teilchen stützt, daß sie in das Sammelsystem 15 durch die öff- 50 ungefähr 90% dieser Gesamtenergie zwischen zwei nung40a als geeignet schmaler und gut zusammen- Punkten, die jeweils einen Abstand R von der Spaltgefaßter Strahl geleitet werden. mitte haben, falls ein festes Potential während des

Die Ionen kleinster Energie, d. h. die Ionen der aus- Durchgangs durch die Stufe angenommen wird.

gewählten Masse, werden nach dem Durchlaufen der Mit Bezug auf Fig. 3, die auf den röhrenförmigen

Öffnung 40 δ in der Platte 40 von einer Sammelvor- 55 Fall anwendbar ist, kann die Entfernung L_g, d.h. die

richtung oder Sammelelektrode 49 aufgefangen, so effektive Spaltlänge, durch den Abstand zwischen zwei

daß sie darin einen Zeichenstrom erzeugen, wobei die Punkten definiert werden, an denen das Teilchen

Sammelelektrode 49 mit der Anzeige-, Aufzeichnungs- gerade 5 bzw. 95% seines gesamten Energieverlustes

und/oder Steuervorrichtung 35 verbunden ist. Vor- für die Stufe erfahren hat. vorausgesetzt, daß eine

zugsweise verläuft die bevorzugte Ionenbahn 42 vor 60 feste Potentialdifferenz En_F(Spitze) zwischen die beiden

dem Auftreffen auf die Sammelelektrode 49 durch Röhren gelegt wird. Die wirksame Spaltlänge L_g ist

eine Elektrode 50, an die ein kleines negatives Poten- deshalb nahezu gleich 2 R. Das tatsächliche Axialfeld

tial mit der dargestellten besonderen Schaltung ange- zwischen zwei Röhren ist als Kurve dargestellt, und

legt werden kann, um auf diese Weise zu verhindern, das ideale Axialfeld ist mit geradlinigen Segmenten

daß Sekundärelektronen und/oder negative Ionen die 65 veranschaulicht. Das ideale Feld unterstützt die Er-

Sammelelektrode verlassen und eine falsche Strom- klärung der Fig. 4 bis 6, da es ermöglicht, wohldefi-

anzeige verursachen. Die Sammelelektrode 49 kann nierte Zeitbereiche herauszugreifen, in denen das Feld

auch eine geschlossene Kammer mit nur einer kleinen zwischen den Röhrenspalten auf das Teilchen wirkt,

Eintrittsöffnung sein, wie dargestellt, um das Ent- und andere Zeitbereiche zu erörtern, in denen dies

weichen von Ionen aus dieser soweit wie möglich zu 70 nicht geschieht. Wesentlich ist der Hinweis, daß das

Teilchen bei parallelen Platten oder Scheiben im wesentlichen ununterbrochen von dem elektrischen Feld angetrieben wird, daß dies aber bei Röhren nicht der Fall ist.

Um die Analysatorkonstruktionen 14 und 19 mit größerer Genauigkeit zu betrachten, ist es erforderlich, zu definieren, was unter Stufenlänge verstanden werden soll. Die Stufenlänge L_n der ra-ten Stufe ist als der Abstand definiert, über den sich das bevorzugte Teilchen während einer Halbperiode der Hochfrequenzwelle mit der Durchschnittsgeschwindigkeit V_n in dieser n-tenStufe bewegt. Die Stufe ist um den Symmetriepunkt dies elektrostatischen Feldes längs der Strahlachse innerhalb des Spaltes zentriert. Für die Platten oder Elektroden 30 ist die Stufenlänge L_n einfach der Abstand zwischen den Platten, die an den η-ten Hochfrequenzspalt angrenzen. Fig. 3 zeigt andererseits eine typische Stufenlänge L für die röhrenförmigen Elektroden 31 sowie die effektive Spaltlänge L_s. Es kann das Ausmaß dargestellt werden, in dem sich das elektrostatische Feld über die Stufe erstreckt, und zwar durch das Verhältnis LJL, das als effektive Teilspaltlänge bezeichnet wird. Es wird deshalb bemerkt, daß für Platten L_t—L und für Röhren L_s ~ 2 R ist, wie vorher erwähnt wurde.

Die Geschwindigkeit in jeder Stufe ändert sich bei den erfindungsgemäß gebauten Geräten um weniger als ungefähr 10%. Für eine solche kleine prozentuale Geschwindigkeitsänderung pro Stufe kann die Durchschnittsgeschwindigkeit V_n der Ionen der bevorzugten Masse in der η-ten Stufe praktisch wie folgt angegeben werden:

2e I 2m —1

— F₀ — —-— E rf

m \ i

wobei V₀ die an den Analysatorabschnitt 13 angelegte Beschleunigungsgleichspannung (alle Ionen haben eV₀ Elektronenvolt Energie, wenn sie in den Analysatorabschnitt 14 oder 19 eintreten), m die Masse des bevorzugten Teilchens und e die von dem Teilchen getragene Ionenladung ist. E_RF ist der Effektivwert der Hochfrequenzwelle in jeder Stufe und ist gleich dem Maximalwert von

+ L_n

j ε (χ, t) dx,

-L_n 2

wobei das Maximum mit Bezug auf den Phaseneintrittswinkel in die ra-te Stufe und auf die Masse m oder die Massenzahl M genommen ist. ε {χ, t) ist das elektrische Momentanfeld, das ein Ion an einem Punkt χ und zu einer Zeit t in dem Feld erfährt, und ist das Ergebnis des elektrostatischen Feldbildes der Elektrodenkonstruktion und der Form der Wechselspannung mit der Zeit. Ε%_Ρ wird für alle Werte von n als konstant angenommen.

Die Änderung der Stufenlänge in Abwärtsrichtung längs des Analysatorabschnitts muß der Geschwindigkeitsänderung des bevorzugten Ions entsprechen, wenn die Energieabnahme pro Stufe konstant sein soll. Die Stufenlängen müssen der Durchschnittsgeschwindigkeit in den entsprechenden Stufen proportional sein. Genauer ausgedrückt muß für die Elektroden 30 •oder 31

L_n — L₁

2F₀- (2n —

sind die Werte von L_n Plattenzwischenräume. Für Röhren sind die Röhrenlängen I_n

In =

„-i + L_n),

sein, wobei L₁ die erste Stufenlänge ist. Bei Platten wobei ?i=l, 2, 3 usw. ist. Die erste Röhrenlänge I₁ ist nicht kritisch, da die Ionen das erste Hochfrequenzfeld nur an dem strömungsabwärts gerichteten Ende

ίο von I₁ antreffen. Die letzte Röhrenelektrode ist hinsichtlich der Länge ebenfalls nicht kritisch, da nur das strömungsaufwärts gerichtete Ende an dem Hochfrequenzfeld teil hat.
Um die Energieabnahmen konstant zu halten, welche die Ionen der bevorzugten Masse an den verschiedenen Spalten erfahren, ist es auch zweckmäßig, geometrische Ähnlichkeit zwischen den Feldern an allen Spalten vorzusehen, d. h. zu gewährleisten, daß die effektive Spaltlänge ein konstantes Verhältnis der Stufenlänge L_n ist. Zu diesem Zweck besteht ein wesentliches Merkmal darin, die seitlichen Elektrodenabmessungen fortschreitend zu vermindern, welche die Feldform in demselben Verhältnis beeinflussen, wie sich die Stufenlänge vermindert. Bei röhrenförmigen Elektroden 31 bedeutet dies eine fortschreitende Abnahme der Spaltdurchmesser. Ähnliche Erwägungen treffen für die Öffnungsdurchmesser der Elektroden 30 zu. Wenn aber die öffnungen in den Elektroden 30 verglichen mit dem Platten- oder Elektrodenabstand klein und die Platten dünn sind, sind die Teile des Feldes, die sich in die öffnungen erstrecken, hinsichtlich ihrer Länge verglichen mit den Plattenzwischenräumen vernachlässigbar. Infolgedessen würde man aus praktischen Gründen die öffnungen in den Elektroden 30 wahrscheinlich immer mit konstantem Durchmesser ausbilden, wie dargestellt ist. Somit sind hierbei die Erörterungen der seitlichen Abmessungsänderungen hauptsächlich auf Röhrenelektroden anwendbar.

Es ist begreiflich, daß bei röhrenförmigen Elektroden 31, deren Spaltdurchmesser fortschreitend abnimmt, sich das Verzögerungsfeld weniger tief in die beiden jeden Spalt bildenden Elektroden erstreckt, so daß die effektive Spaltlänge, d. h. die Verzögerungsfeldlänge, abnimmt. Dies trägt dazu bei, zu gewährleisten, daß jedes Ion der bevorzugten Masse dem Verzögerungspotential über die gleiche Zeitdauer an jedem Spalt in dem Analysatorabschnitt 19 ausgesetzt wird, so daß es gleiche Energiezunahmen an allen Spalten verliert. Diese Situation ist in Fig. 4a veranschaulicht, wobei ein Ion der bevorzugten Masse einem Verzögerungsspitzenpotential für die gleiche Zeitdauer an jedem Spalt ausgesetzt ist und die Wirkzeit des Verzögerungsfeldes durch die Breiten der schraffierten Flächen 55, 56 usw. dargestellt ist.

Wenn die Durchmesser der Spalte nicht fortschreitend verkleinert wären, würde die Zeit, die das Teilchen in jedem der verschiedenen Verzögerungsfelder zubringt, nicht über den gesamten Analysatorabschnitt 19 konstant sein. Die Folge davon würde sein, daß ein Ion der bevorzugten Masse mehr Energie von den Spalten verlieren würde, durch die er mit höherer Geschwindigkeit verläuft, vorausgesetzt, daß es sich in der geeigneten Phase mit der Hochfrequenzwelle befand, da die effektive Spannung E_RP quer zu allen Stufen nicht gleich und die Energiedifferenz zwischen einem bevorzugten Ion und einem bestimmten nicht bevorzugten Ion aus dem HF-Analysatorabschnitt für einen gegebenen Spitzenwert der Hochfrequenzspannung und eine gegebene Stufenanzahl kleiner sein

würde als für ein vergleichbares System mit einer konstanten Spannung E%p.

Die Spaltdurchmesser sind mit den Stufenlängen durch die Gleichung

L_n = KR_n

verknüpft, wobei R der Radius des w-ten Spaltes, K eine Konstante und L_n die Länge einer Stufe (der η-ten Stufe) ist und sich die Spalte an den Stufenmitten befinden. Aus der vorstehenden Gleichung folgt, daß geometrische Ähnlichkeit zwischen allen aufeinanderfolgenden Stufen beibehalten wird oder, spezieller ausgedrückt, daß die effektive Spaltlänge konstant proportional zu der Stufenlänge gehalten wird, mit der Ausnahme, daß die Spaltbreiten (der Raum zwischen den Elektroden) bei Röhren selbst vorzugsweise konstant gehalten wird.

Deshalb bleiben, solange die Längen der Röhrenelektroden 31 abnehmen, wenn sich die Geschwindigkeit der Ionen der bevorzugten Masse vermindert, und vorzugsweise auch solange die Spaltradien in der oben erläuterten Weise abnehmen, die Ionen der bevorzugten Masse, die in den ersten Spalt in Phase mit der Verzögerungsspitzenspannung eintreten, in Phase über den gesamten Analysatorabschnitt 19 und erfahren im wesentlichen gleiche Energieabnahmen an allen Spalten, was ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist. Entsprechende Erwägungen treffen auch zu, solange die Zwischenräume der Elektroden30 abnehmen, wenn sich die Geschwindigkeit der bevorzugten Ionen vermindert. Die Betriebsbedingungen, die unter diesen Umständen vorherrschen, sind graphisch in den Fig. 4 a und 7 a veranschaulicht.

Die Feststellung ist wesentlich, daß der Beschleunigungsabschnitt 13 des Analysators 12 jedes Teilchen mit einer durch seine Masse bestimmten Anfangsgeschwindigkeit versieht, um auf diese Weise eine Geschwindigkeitsstreuung oder -spreizung gemäß der Masse hervorzurufen, wenn die Teilchen in den Analysatorabschnitt 14 oder 19 eintreten. Die Anwendung eines hohen Beschleunigungspotentials V₀ in dem Analysatorabschnitt 13 zur Erzielung einer großen Geschwindigkeitsstreuung oder -verteilung ergibt ein größeres und besseres Massenzerlegungsvermögen durch die Analysatorabschnitte 14 und 19 sowie auch eine bessere Bündelung des Ionenstrahles. Dies sind wichtige Merkmale der Erfindung. Auch hält die Verwendung eines hohen Wertes von V₀ die durchschnittliche Ionengeschwindigkeit hoch und verringert die Raumladungsdichte auf einen Kleinstwert, was ein ■ weiteres wesentliches Merkmal ist.

Es erscheint zweckmäßig, darauf hinzuweisen, daß es für irgendeine besondere Ionenmasse eine kritische Wechselbeziehung unter den folgenden Veränderlichen gibt: Amplitude und Frequenz der Verzögerungswechselspannung, Beschleunigungsgleichspannung und Längen L₁ der ersten Stufe jedes Analysatorabschnitts 14 oder 19. Dieser Beziehung muß genügt werden, um die Ionen der bevorzugten Masse durch den Analysator 12 bei dem kleinsten oder optimalen Energiepegel zu führen.

Gemäß dieser Beziehung ist

M = A

2V_n-E

RF

wobei M die Massenzahl des bevorzugten Ions, A eine von den Größeneinheiten der Gleichung abhängige Konstante, E^p die effektive Hochfrequenzspannung zwischen jedem Hochfrequenzspalt für das bevorzugte Ion (vgl. die vorher gegebene Definition), V₀ die Beschleunigungsgleichspannung und / die Frequenz der Welle ist.

Mit Bezug auf Fig. 4a wird unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen angenommen, daß ein positives Ion der vorbestimmten Masse in den Spalt zwischen der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 31 eintritt, wenn das Feld an diesem Spalt in Richtung des strömungsaufwärts gerichteten Endes

ίο der Strecke 16 wirkt, d. h. wenn die zweite Elektrode 31 gegen die erste Elektrode 31 positiv ist. Falls das Ion der bevorzugten oder vorbestimmten Masse in diesen ersten Spalt in Phase mit dem Spitzenwert des Verzögerungspotentials eintritt, verliert es Energie in einem Ausmaß, das angenähert durch die schraffierte Fläche dargestellt wird, die mit »verzögert« sowie mit der Bezugsziffer 55 in Fig. 4 a bezeichnet ist. (In den Fig. 4 a bis 8 c bedeutet »A« beschleunigt, »D« verzögert und »i« Zeit.) Die Breite der schraffierten

ao Fläche 55 gibt die Zeit an, die das bevorzugte Ion zur Durchquerung des effektiven Feldes an dem ersten Spalt benötigt, und entspricht der idealen effektiven Spaltlänge der Fig. 3. Nachdem das Ion der bevorzugten Masse durch die Potentialdifferenz quer zu dem ersten Spalt verzögert worden ist, treibt es durch die zweite Elektrode 31 ab und gelangt an den zweiten Spalt in Phase mit der Spitzenspannung quer zu diesem Spalt. Mit anderen Worten, das Ion der bevorzugten Masse gelangt an den zweiten Spalt im wesentliehen eine halbe Periode nach dem Eintritt in den ersten Spalt, so daß die dritte Elektrode 31 gegen die zweite Elektrode31 positiv wird, wodurch das Ion der bevorzugten Masse zusätzlich verzögert wird, wenn es das Feld an dem zweiten Spalt durchquert, wie es von der schraffierten Fläche 56 markiert wird. Der gleiche Vorgang entsteht an jedem folgenden Spalt, wobei das Ion der bevorzugten Masse eine zusätzliche Energieabnahme bei Durchquerung jedes Spalts erfährt. Schließlich verlaufen die Ionen der bevorzugten Masse über den gesamten Weg durch den Analysatorabschnitt 19 in dieser Weise und haben eine kleinste Energie, wenn sie aus diesem hervortreten.

Ein Ion, das leichter als die bevorzugten Ionen ist, verläuft durch den Analysatorabschnitt 19 mit einem verhältnismäßig hohen Energiepegel, auch wenn es in den ersten Spalt zwischen der ersten und zweiten Elektrode 31 in Phase mit der Verzögerungsspitzenspannung eintritt. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 4b dargestellt, wobei ein leichteres Ion als das bevorzugte Ion eine Energiemenge verliert, die durch die schraffierte Fläche 57 dargestellt ist. Jedoch wird es infolge der Tatsache, daß es leichter als die bevorzugten Ionen ist, durch die an dem ersten Spalt erfahrene Energieabnahme nicht ausreichend verzögert. Infolgedessen gelangt es etwas vor der Verzögerungsspitzenspannung an den zweiten Spalt, wie durch die schraffierte Fläche 58 angegeben ist, und eilt dem Verzögerungsspitzenpotential noch weiter vor, wenn es an den dritten Spalt gelangt, wie durch die schraffierte Fläche 59 dargestellt ist. Bis es zu dem vierten Spalt oder zu einem Spalt mit einer anderen Zahl gelangt, kann es der Verzögerungsspitzenspannung so weit voreilen, daß es praktisch einer Beschleunigungsspannung für wenigstens einen Teil der Zeit unterworfen wird, die es zur Durchquerung des Feldes an einem solchen Spalt benötigt, so daß es Energie zu gewinnen beginnt, wie es durch die geteilte schraffierte Fläche 60 dargestellt ist. Infolgedessen erreicht schließlich ein solches leichtes Teilchen das Sammel-

system 15 mit einem viel höheren kinetischen Energiepegel als das bevorzugte Teilchen.

In ähnlicher Weise verliert ein Teilchen, dessen Masse größer als die bevorzugte Masse ist, zuviel Energie an dem ersten Spalt, im besonderen, wenn es in Phase mit der Verzögerungsspitzenspannung eintrifft. Infolgedessen fällt ein solches schwereres Ion gegenüber der Verzögerungsspitzenspannung an dem zweiten Spalt zurück und eilt fortschreitend weiter nach, wenn es jedes Feld an den hintereinanderliegenden Spalten durchquert. Schließlich kann das übermäßig schwere Teilchen tatsächlich beschleunigt werden, so daß es auch an das Sammelsystem mit einem beträchtlich höheren Energiewert als die bevorzugten Ionen gelangt.

Die vorstehenden Betrachtungen modifizieren sich, wenn ein Teilchen, das schwerer als das bevorzugte ist, einen phasenstabilen Zustand erreicht, wie im folgenden beschrieben wird. Es wird bemerkt, daß ein Teilchen, das leichter als das bevorzugte ist, in dem hier beschriebenen Verzögerungssystem keine Phasenstabilität erreichen kann.

Die Fig. 5 a und 5 b entsprechen den Fig. 4 a bzw. 4b, mit dem Unterschied, daß eine quadratische Welle statt einer Sinuswelle an die Elektroden 31 angelegt wird, und die Fig. 6 a und 6b entsprechen den Fig. 4 a bzw. 4b, wobei die Sinuswelle durch eine Impulswellenform ersetzt ist. In ähnlicher Weise entsprechen sich die Fig. 7a, 7b und 4a, 4b, mit der Ausnahme, daß sie mit öffnungen versehene Plattenelektroden 30 an Stelle der Röhrenelektroden 31 verwenden, wobei in beiden Fällen Sinuswellen angelegt werden. Die Fig. 8 a, 8 b stimmen mit den Fig. 5 a, 5 b mit der Ausnahme überein, daß sie mit öffnungen versehene Plattenelektroden 30 statt der röhrenförmigen Elektroden 31 benutzen, wobei in beiden Fällen quadratische Wellen angelegt werden. Es wird bemerkt, daß in den Figuren mit den Plattenelektroden 30 die Gesamtfläche unter jeder Halbperiode schraffiert ist, da, wie vorher erwähnt wurde, die effektive Spaltlänge im wesentlichen gleich der Stufenlänge L_n ist, so daß jedes Teilchen einer Verzögerung und/oder Beschleunigung über jede ganze Halbperiode unterworfen ist. Die senkrechten Linien, die den Wellenformen in Fig. 7 a bis 8 c überlagert sind, geben die Zeitpunkte an, zu denen die einzelnen betrachteten Teilchen durch die entsprechenden, mit öffnungen versehenen Plattenelektroden 30 verlaufen. Man erkennt, daß keine Figurengruppe für die Plattenelektroden 30 vorhanden ist, die den Fig. 6a bis 6c für die Röhrenelektroden 31 entspricht. Dies beruht darauf, daß die mit öffnungen versehenen Plattenelektroden 30 nicht den kritischen Effekt kurzer Impulse für hohes Zerlegungsvermögen ausnutzen können. Es scheint deshalb, daß sich kein besonderer Vorteil bei Anwendung einer Impulswelle mit den Plattenelektroden 30 ergibt. Der Vorteil einer Impulswelle mit Röhrenelektroden 31 wird im folgenden ausführlicher behandelt.

Nun wird die Erscheinung der Phasenstabilität für Teilchen betrachtet, die schwerer als die bevorzugten Teilchen sind, was schon früher erwähnt wurde. Unter bestimmten Bedingungen der Spaltlänge und der HF-Wellenform sind solche Teilchen bestrebt, sich einen Platz auf der Hochfrequenz welle zu suchen, so daß sie hintereinanderliegende Spalte mit einer Verschiebung von 180° durchqueren können. Auf diese Weise verlaufen sie durch alle Spalte, wobei sie im wesentlichen die gleiche Energiemenge an jedem Spalt verlieren, d. h. einen Energieverlust erfahren, der etwas geringer als der Energiespitzenverlust ist, den die Teilchen der bevorzugten Masse erleiden. Die Neigung solcher Teilchen, die schwerer als die bevorzugten sind, besteht darin, die gleiche Geschwindigkeit wie die bevorzugten Teilchen zu erreichen oder eine Energiemenge in den gesamten Analysatorabschnitt 14 oder 19 zu verlieren, der ihrer Masse proportional ist. Dabei läßt sich die kinetische Energie V_n solcher phasenstabiler, schwerer Teilchen, die in dem Abschnitt 14 oder 16 Verluste erfahren, durch die Gleichung

ve =

V₁

ausdrücken, wobei V_p der Energieverlust des bevorzugten Teilchens an allen Spalten des Analysatorabschnitts 14 oder 19 ist und m_n und m_p die Massen der schweren bzw. der bevorzugten Teilchen sind. Dieser Effekt wird abhängig von der Stufenzahl mehr oder weniger ausgeprägt. Bei Platten tritt die Phasenstabilität der Teilchen, die schwerer als die bevorzugten Teilchen sind, im wesentlichen unabhängig von den Änderungen der Wellenform auf. Bei Röhrenelektroden hängt jedoch das Ausmaß, in dem schwerere Teilchen als die bevorzugten phasenstabil sind, von der effektiven Teilspaltlänge und der Wellenform ab. Diese Faktoren werden der Reihe nach erörtert. Wenn die effektive Teilspaltlänge LJL kleiner gemacht wird, befinden sich weniger Teilchen, die schwerer als die bevorzugten sind, in einem phasenstabilen Zustand in einer Röhre 10 mit einer gegebenen Anzahl Hochfrequenzstufen. Da bei einer phasenstabilen Lage auf der Hochfrequenzperiode nie genaue Resonanz erreicht wird, schwingt das schwere Teilchen um die phasenstabile Lage auf der Periode, wobei eine solche Schwingung zu ihrer Beendigung möglicherweise eine Anzahl Stufen benötigt. Diese Schwingung kann in der Phase breiter als der Phasenwinkel sein, der durch oder angenähert durch die Spitzenteile der Hochfrequenzwellen in den Fig. 4 a bis 6 c dargestellt ist. Jeder schraffierte Teil repräsentiert deutlich den Durchgangswinkel, der den Teilchen entspricht, welche die entsprechende effektive Spaltlänge durchqueren. Wenn L_gIL durch Verkürzung aller Radien der Elektroden 31 fortschreitend kleiner gemacht wird und/oder auch durch Vergrößerung der Stufenlängen vermindert wird, wird es wahrscheinlicher, daß die Schwingung um die phasenstabile Lage das Teilchen in einigen Stufen in einen Bereich der Hochfrequenzperiode führt, wo es nicht einmal Energie entsprechend der reduzierten Geschwindigkeit Vu verliert, wie oben erwähnt wurde, vorausgesetzt, daß der Durchgangswinkel den gesamten oder angenähert den gesamten nicht Null betragenden Teil der Welle überbrückt. In Fig. 6 c wird angenommen, daß ein schweres Teilchen Spalte in einem Bereich der Periode durchquert, wo sich der Vorgang in einem stetigen Zustand vollzieht oder phasenstabil ist, wobei aber zu berücksichtigen ist, daß das Teilchen in der ersten von mehreren Hochfrequenzstufen infolge des Eintritts in die erste Stufe bei einer Phase, die sich wesentlich von der Phase der Fig. 6 c unterscheidet, verzögert oder beschleunigt wird. Das Teilchen muß auf der Hochfrequenzwelle in die phasenstabile Lage schwingen oder sich in diese bewegen, und falls der Betrag, um den es sich bewegen muß, kleiner als der Winkel ist, der durch die Breite des Bereiches des HF-Spitzenwertes dargestellt wird, ist es wahrscheinlich, daß es in Schwingungszustand um die in Fig. 6c dargestellte Lage bleibt. Falls es sich

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aber um einen Phasenabstand bewegen muß, der, verglichen mit der Breite des Spitzenwertes der Periode, beträchtlich ist, kann es mit Bezug auf die Wellenform außer Schritt fallen.

Die verwendete Wellenform hat eine Wirkung auf den Grad, in dem ein Röhrenelektrodensystem bei einer gegebenen Stufenzahl in phasenstabiler Weise arbeitet. Der Analysatorabschnitt 19 sucht beispielsweise eine phasenstabile Arbeitsweise für Ionen herzustellen, die schwerer als die bevorzugten Ionen sind. Jedoch ist der zulässige Winkelbereich der Phasenschwingung für das Ausmaß bestimmend, in dem sich der phasenstabile Zustand allen schweren Ionen in dem Analysator mitteilt. Mehr oder weniger alle Teilchen, die schwerer als das bevorzugte Teilchen sind, befinden sich schließlich in Phasenstabilität an dem strömungsabwärts gerichteten Ende des Analysators abhängig von dem Verhältnis LJL und der Form der Welle. Die Fig. 4c, 5c und 6c zeigen mehrere Verzögerungsmöglichkeiten für einen praktischen Wert von LJL und für verschiedene Wellenformen.

Für Plattenelektroden sind typische Bedingungen der phasenstabilen Arbeitsweise für schwerere Teilchen als die bevorzugten in den Fig. 7 c und 8 c dargestellt. Diese entsprechen den Fig. 4c bzw. 5c und veranschaulichen den röhrenförmigen Fall.

Fig. 6 c zeigt, daß der mögliche Phasenwinkel der Schwingung mit der Impulswelle kleiner als mit der Sinuswelle ist (Fig. 4c) und daß er mit der Sinuswelle (Fig. 4c) kleiner als mit der quadratischen Welle ist (Fig. 5 c). Dieser zulässige Bereich bestimmt, wie viele schwere Teilchen an dem strömungsabwärts gerichteten Ende des röhrenförmigen Analysatorabschnitts phasenstabil sind. Die Energietrennung zwischen den bevorzugten Teilchen und einem schwereren Teilchen ist größer, falls dieses schwerere Teilchen die Resonanzgeschwindigkeit verloren hat, d. h. aus der Phasenstabilität gelangt ist. Je weniger schwere Teilchen sich in Phasenstabilität befinden, um so besser ist das Zerlegungsvermögen.

Es ist erwünscht, daß der Durchgangswinkel quer zu der effektiven Spaltlänge kleiner als die Impulsbreite der Welle mit einer Impulswellenform ist, um den kritischen Effekt kurzer Impulse zur Erzielung eines hohen Zerlegungs- oder Auflösungsvermögens zu verwenden. Somit kann der Durchgangswinkel bei röhrenförmigen Elektroden 31 so klein wie erwünscht gemacht werden, indem man LJL klein hält, d. h. daß man ein kleines Verhältnis des Spaltradius zu der Röhrenlänge verwendet. Die mit öffnungen versehenen Plattenelektroden 30 können den kritischen Effekt kurzer Impulse nicht ausnutzen, wie vorher erwähnt wurde.

Im allgemeinen wurde gefunden, daß der Betrieb mit quadratischen Wellen einen vergrößerten Strom bei vergleichbarem Zerlegungsvermögen verglichen mit dem Sinuswellenbetrieb ergibt, da die Aufnahmephase nicht so kritisch ist (vgl. die Fig. 4 a, 5 a, 6 a, 7 a und 8 a). Die Vergrößerung von LJL und die Beibehaltung der Wellenform über eine Impulslänge in der Größenordnung des Durchgangswinkels der Spalte verbessert das Zerlegungsvermögen. Jedoch wird dadurch der entstehende Ionenstrom / verkleinert, da / ~ LJL ist.

Bei Abtastung oder Zerlegung mit der Massenzerlegungsvorrichtung nach der Erfindung durch Verändern beispielsweise der Frequenz können die Massenspitzen, d. h. die Ionenstromspitzen in dem Sammelsystem 15, dreieckige Form mit sehr scharfen Spitzen haben. Dies bedeutet, daß die Anzeige- oder Kontrollvorrichtung 35 sehr schnell arbeiten muß, um vollständig auf die Spitzenwerte der Massenkurven anzusprechen. Die Schärfe der auf einer Aufzeichnungsvorrichtung dargestellten Spitze kann verringert werden, indem die Hochfrequenzwelle mit einer glatten Wellenform, z. B. einer Sinuswelle, frequenzmoduliert wird, wobei ein Frequenzmodulator 65 verwendet wird, der beispielsweise in der in Fig. 1 dargestellten Art geschaltet ist. Die ge-

wählte Modulationsfrequenz ist niedrig gegen die

Frequenz der HF-Grundwelle, aber hoch mit Bezug

auf die Ansprechzeit einer Anzeigevorrichtung, die

zur Registrierung der Massenspitzen verwendet wird.

Die von der Vorrichtung 35 gegebene Anzeige bei

irgendeiner Massenlage ist dann ein über die Modulationsperiode genommener Zeitdurchschnitt einer großen Anzahl Ablesungen unmittelbar in der Nachbarschaft der gegebenen Massenlage. Der Durchschnitts- oder Integrationseffekt einer glatten, konti-

nuierlichen Modulationswellenform besteht demgemäß darin, die scharfe Spitze abzurunden, wobei jedoch die Lage des Maximalwertes geringfügig gegen die Massenlage oder Amplitude geändert wird, wenn die Teiländerung der Frequenz klein gemacht wird. Die Teilfrequenzänderung braucht nur so groß zu sein, daß sie dem Aufzeichnungs- oder Regelinstrument 35 Zeit läßt, um im wesentlichen vollständig auf den Signalscheitel wert anzusprechen, bevor die von dem Sammelsystem 15 abgeleitete

Zeichenamplitude wieder abnimmt.

In einem System, bei dem die Massenspitzen ohne Modulation gerade Seiten haben und symmetrisch um das Maximum auf der Massenskala verlaufen, kann die Modulationswellenform (d. h. die Hochfrequenz als Funktion der Zeit) eine quadratische Welle sein, so daß der Hochfrequenzoszillator stufenweise geändert wird. Die entstehende Spitzenform bei der Massenabtastung oder -zerlegung ist dann eine Wellenform mit flachen Kopf, die erwünscht ist.

Falls die Frequenz geändert wird, um eine Massenabtastung oder -zerlegung vorzunehmen, dann hat das bevorzugte Teilchen eine konstante Energie, wenn der Massenbereich zerlegt ist. Die Bahnen der Ionen verschiedener Massen in dem Sammelsystem 15 sind die gleichen Wege 42, 43, 44, da jedes Teilchen der Reihe nach das bevorzugte Teilchen in der Frequenzabtastung wird, so daß keine Änderung in geometrischer Hinsicht bei der Abtastung oder Zerlegung verschiedener Massen notwendig ist.

Obgleich als Beispiel gewählte Ausführungsformen der Erfindung hierbei zum Zwecke der Veranschaulichung offenbart worden sind, ist es begreiflich, daß zahlreiche verschiedene Änderungen, Modifikationen und Ergänzungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindungsidee abzuweichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Trennen von Ionen verschiedenen Ladungs-Masse-Verhältnisses, bestehend aus einer Ionenquelle und Mitteln zum anfänglichen Beschleunigen von Ionen aus dieser Quelle entlang einer Ionenstrecke, gekennzeichnet durch Analysatorvorrichtungen (14, 19) zum fortschreitenden und selektiven Verzögern der Ionen längs der Strecke gemäß ihren entsprechenden Massen, um die Ionen einer ausgewählten Masse mit einer kleinsten kinetischen Energie entlang der Strecke zu versehen, wobei die Analysatorvorrichtungen entlang der Strecke in Abstand

angebrachte Elektrodenanordnungen (14, 19) und eine Vorrichtung (33) zum Erregen der Elektrodenanordnungen (14, 19), um aufeinanderfolgende, hochfrequente, alternierende elektrische Feldräume längs der Strecke zu schaffen, und zur Phaseneinstellung des Wechsels der Feldräume mit Bezug auf die Bewegung der Ionen entlang der Strecke aufweisen, wodurch ausgewählte Ionen in diesen elektrischen Feldräumen selektiv und fortschreitend verzögert werden, und weiterhin gekennzeichnet durch eine Auffangvorrichtung (15) in der Strecke zum Sammeln nur solcher Ionen, deren Energie auf ein Minimum als Ergebnis der selektiven und fortschreitenden Verzögerung dieser Ionen längs der Strecke gemäß ihren entsprechenden Massen durch die Elektrodenanordnungen vermindert worden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnungen aus einer linearen Reihe Elektroden (30, 31) bestehen, die zwischen der Quelle (22) und der Auffangvorrichtung (15) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (30, 31) der Reihe abwechselnd in entgegengesetzter Polarität mit der Vorrichtung (33) zum Erregen der Elektrodenanordnungen verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus mit öffnungen versehenen Platten (30) bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (30, 31) in Abstand angeordnet sind, um Verzögerungsstufen fortschreitend abnehmender Länge entsprechend der fortschreitend abnehmenden Geschwindigkeit der Ionen von vorherbestimmtem Ladungs-Masse-Verhältnis zu schaffen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine das Spektrum überstreichende Vorrichtung (65) zum Ändern der Frequenz und/ oder der Amplitude der alternierenden elektrischen Feldräume.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangvorrichtung (15) elektrostatische Ablenkmittel (40, 41, 45) umfaßt, um die ausgewählten Ionen kleinster Energie von Ionen höherer Energien zu trennen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatischen Ablenkmittel aus einem Paar von in Abstand angeordneten Platten (40, 41), die auf verschiedene Potentiale geladen und geeignet sind, um an der Auffangvorrichtung eintreffenden Ionen gekrümmte Flugbahnen zu erteilen und diese Ionen mit vorausbestimmtem Ladungs - Masse - Verhältnis in einem vorausbestimmten Brennweitenbereich zu fokussieren, und aus Mitteln (45) in dem Brennweitenbereich zum Aussondern der Ionen des vorausbestimmten Ladungs -Masse-Verhältnisses bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Elektrode (45) in dem Feld zwischen den Platten (40, 41) in solcher Anordnung, daß der Ionenstrahl an einem Ort ausgewählter kinetischer Energie aufgefangen wird, so daß Ionen aufgefangen werden, deren kinetische Energie das genannte Minimum überschreitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine andere Elektrode (49) in solcher Anordnung, daß die Ionen kleinster kinetischer Energie aufgenommen werden, die nicht von der Elektrode (45) aufgefangen werden, und eine Meß vorrichtung (35), die an die andere Elektrode (49) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 882 769 (Seite 2, Anspruch 1, Fig. 2).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

ι 809 578/391 7.58