DE1047330B - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Ionenimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Iotienimpulsen oder -paketen mit Hilfe eines zeitweise unterbrochenen oder abgeschwächten Stromes von ionisierenden Teilchen, insbesondere Elektronen, in einem Bereich, in den auch neutrale ionisationsfähige Teilchen, Atome oder Moleküle zwecks Ionisation eingeführt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Verwendung mit einem Massenspektrometer, um aus Gasen einer unbekannten Mischung Ionenimpulse zu erzeugen.

Es sind Massenspektrometer bekannt, die auf der Grundlage einer seitlichen Auslenkung eines Ionenstrahles arbeiten. Bei diesen Massenspektrometern wird der Ionenstrahl einem senkrecht zu dem zur Beschleunigung der Ionen dienenden elektrischen Feld liegenden magnetischen Feld ausgesetzt, so daß die Wege der Ionen gemäß dem Quotienten Masse—Ladung entsprechend ausgelenkt werden. Dabei ist es möglich, nur Ionen einer vorbestimmten Masse durch einen schmalen Schlitz zu führen und eine Anzeige auszulösen. Derartige Massenspektrometer arbeiten allgemein mit einer Gleichspannung. Es ist jedoch auch bekannt, bei einem derartigen Massenspektrometer Wechselstrom zu verwenden, um die sich aus dieser Verwendung ergebenden Vorteile auszunutzen. In diesem Fall entsteht ein pulsierender Elektronenstrom, so daß sich auch ein pulsierender Ionenstrom ergibt. Die Güte der Leistung eines derartigen Massenspektrometer ist jedoch von der Genauigkeit und der Schärfe der Ionenschübe unabhängig, wobei auch zu beachten ist, daß die Ionen aus der Zone ihrer Entstehung durch ein kontinuierliches Beschleunigungspotential herausgezogen werden.

Es gibt ferner Massenspektrometer, bei denen ein magnetisches Feld von konstanter Feldstärke hervorgerufen wird, um Ionen verschiedener Masse zum ein- oder mehrfachen Umlaufen von Kreisbahnen zu zwingen. Bei ihrem Umlauf kreisen die Ionen relativ kleiner Masse schneller als die, deren Masse größer ist. Dadurch wird erreicht, daß die Ionen die Kollektorvorrichtung in Zeiten erreichen, die direkt von ihrer Masse abhängen. Durch Messen der Umlaufzeiten der verschiedenen Ionen kann man dann die jeweiligen Ionenmassen leicht bestimmen.

Da also bei dieser Art eines Massenspektrometers die Massen der verschiedenen Ionen durch deren Laufzeiten gemessen werden, würde ein kontinuierliches Eindringen der Ionen in das Massenspektrometer die physikalische Trennung zwischen Ionen verschiedener Masse unmöglich machen. Daher ist es nötig, Ionenimpulse zu erzeugen, um so ein präzises Arbeiten des Massenspektrometers zu ermöglichen. Jedoch funktionieren die gegenwärtig üblichen Ionenimpuls-

Verfahren und Vorrichtung
zur Erzeugung von Ionenimpulsen

Anmelder:

Bendix Aviation Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. April 1951

quellen, die zur Erzeugung von ins Massenspektrometer eindringenden Ionenpaketen oder -impulsen verwendet werden, nicht absolut zufriedenstellend. So sind z. B. die so geschaffenen Ionenpakete nicht scharf getrennt und verhältnismäßig schwach. Das verhindert aber ein eindeutiges und genaues Messen mit dem Massenspektrometer.

Beim vorliegenden Verfahren ist die Aufgabe gelöst, scharf abgegrenzte Ionenimpulse zu erzeugen, die maximalen Energiegehalt haben. Außerdem ist eine Ionenquelle entwickelt, die die Ionenimpulse der genannten Eigenschaft erzeugt und bei der die größtmögliche Anzahl von Ionen stark konzentriert wird, so daß ein scharfer und intensiver Impuls erzeugt wird.

Erfindungsgemäß werden die Ionen aus dem Bereich, in dem die Ionisation erfolgt, durch Anlegen von Beschleunigungsimpulsen herausgezogen, die mit der zeitweisen Unterbrechung oder Abschwächung des ionisierenden Stromes gleiche Frequenz haben. Die

*5 Ionenbeschleunigungsimpulse werden im Hinblick auf den Augenblick der Unterbrechung oder Abschwächung des ionisierenden Stromes so eingestellt, daß die Ansammlung einer großen Anzahl von Ionen gewährleistet ist und insbesondere die Gesamtladung der angesammelten Ionen einen Wert erreicht hat, der annäherungsweise die Ladung neutralisiert, die durch die ionisierenden Teilchen hervorgerufen ist.

Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Vorrichtung, die eine emittierende Kathode und Elek-

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troden zur Beschleunigung und Auffangung der Elektronen umfaßt sowie eine Anordnung zur Einführung der von in dem Elektronenstrom sich durch Zusammenprallen ionisierenden Molekülen aus einer Kammer und eine Steuerschaltung zur Polarisierung der elektronenbeschleunigenden Elektrode aufweist, um den Elektronenstrom in bestimmten Zeitabständen zu unterbrechen oder wenigstens stark abzuschwächen. Ferner ist eine polarisierbare ionenbeschleunigende Elektrode vorgesehen, um die Ionen in einem in bezug auf den Zeitpunkt der Unterbrechung oder Abschwächung impulsweise aus dem Bereich, in dem sie sich gebildet oder entwickelt haben, zu entnehmen.

Die Erfindung sieht ferner die Verwendung einer derartigen ionenerzeugenden Vorrichtung zusammen mit einem auf der Grundlage der Flugzeitmessung arbeitenden Massenspektrometer vor.

Durch die genannte Ausführung wird jeweils eine große Anzahl von Ionen gesammelt, bevor diese mit Ionen angereicherter und infolge der Kürze des herausziehenden Impulses außerordentlich scharf abgegrenzter Schübe in das Massenspektrometer herausgestoßen werden. Hierdurch wird eine bedeutend stärkere Empfindlichkeit und eine schärfere Anzeige als bei bekannten, auf dem gleichen Prinzip arbeitenden Massenspektrometern erreicht.

Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Fig. 1 ist ein von rechts gesehener Seitenaufriß einer Ionenquelle, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, sowie einer Gaskammer, die die Ionenquelle zwecks Herstellung von Ionen mit Gas beliefert.

Fig. 2 und 3 sind Schnitte der Fig. 1 gemäß den Linien 2-2 bzw. 3-3, und zwar um weitere Einzelheiten der Ionenquelle hervorzuheben.

Fig. 4 ist ein Schnitt gemäß Linie 4-4 von Fig. 3.

Fig. S ist eine Perspektivansicht des ionenbeschleunigenden Gitters.

Fig. 6 ist ein vereinfachtes Schaltdiagramm des hier angewandten elektrischen Stromkreises zwecks Erzeugung der zu den verschiedenen, in den vorigen Figuren angegebenen Gittern der Ionenquelle passenden Spannungen.

Fig. 7 ist eine Perspektivansicht eines Massenspektrometers, mit dem zusammen die in obigen Figuren angegebene Ionenquelle benutzt werden kann. Diese Figur zeigt auch die relative Lage der Ionenquelle im Spektrometer.

Fig. 8 ist eine Perspektivansicht, aus der nähere Einzelheiten des in Fig. 7 angegebenen Spektrometer hervorgehen.

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer charakteristischen Laufbahn, die im Spektrometer von den von Ionenquellen erzeugten Ionen eingeschlagen wird.

Ein in den Fig. 7 und 8 mit der Ziffer 10 bezeichnetes Massenspektrometer ist so· gebaut, daß es Ionenimpulse einer Ionenquelle aufnehmen kann. Letztere ist in den Fig. 1 bis 5 näher angegeben und mit der Ziffer 12 bezeichnet. Das Massenspektrometer 10 ist gewöhnlich zylinderförmig und befindet sich zwischen entgegengesetzten Polen eines Magneten 14 (Fig. 8). Dieser Magnet ist so konstruiert, daß er ein magnetisches Feld von gleichförmiger Feldstärke längs der Zylinderachse erzeugt. Die Ionenquelle 12 und die Auffangvorrichtung 16 (Fig. 7 und 9) sind aus unten im einzelnen auseinandergesetzten Gründen innerhalb des Spektrometer so angebracht, daß der zwischen ihnen bestehende Winkelabstand verhältnismäßig klein ist und daß ihre Achsen möglichst auf einer Geraden liegen.

Die Quelle 12 hat zur Aufgabe, Ionen in den verschiedenen, eine unbekannte Mischung darstellenden Gasen zu erzeugen. Jedes Ion hat dann eine Masse, die derjenigen des dazugehörigen Gases proportioneil ist. Die Quelle 12 erteilt den Ionen eine bestimmte Anfangsgeschwindigkeit; diese Ionen verlassen dann ίο die Quelle in senkrechter Richtung zum vom Magneten 14 erzeugten Feld. Dadurch wirkt das magnetische Feld auf die Ionen gemäß einer zur Ionenstrahlrichtung senkrecht stehenden Kraft ein, so daß also die Ionen Kreisbahnen durchlaufen, wie in Fig. 9 mit 18 angezeigt.

Da nun die Ausstrahlungskraft der Ionenquelle 12 wesentlich konstant bleibt, so wird diese Kraft auf Ionen von verhältnismäßig leichter Masse eine stärkere Wirkung ausüben als auf Ionen verhältnismäßig schwererer Masse. Daher erhält also> jedes Ion eine Anfangsbeschleunigung, die wesentlich seiner Masse umgekehrt proportionell ist.
Es ist daher
_ K

es bedeutet

a die Beschleunigung, mit der das Ion die Quelle 12 verläßt, ~

M die Ionenmasse und
K eine Konstante.

Wegen ihrer größeren Anfangsbeschleunigung durchlaufen die relativ geringere Massen besitzenden Ionen die ganze Kreisbahn schneller als die Ionen von verhältnismäßig größerer Masse. So erreichen also die leichten Ionen die Auffangelektrode 16 vor den schwereren Ionen. Durch Messen derjenigen Zeit, die die Ionen benötigen, um ein oder mehrere Male die Kreisbahn zu durchlaufen, kann die Masse der verschiedenen Ionen bestimmt werden. Man kann auch das Mengenverhältnis der verschiedenen Bestandteile der unbekannten Mischung feststellen, und zwar durch Messen der relativen Signalamplituden, die die Ionen eines jeden Bestandteiles der Mischung auf der Auffangelektrode 16 erzeugen.

Um die von den Ionen verschiedener Masse benötigten Laufzeiten zu messen, muß die Ionenquelle 12 Ionenimpulse erzeugen. Die Ionenquelle besteht aus einem Teil 20 (Fig. 2) mit einer Aussparung 22. Ein Block 24j der in passender Weise am Gehäuse 26 befestigt ist, befindet sich unterhalb des Schmalteiles des Teiles 20, und ein Träger 28 ist oberhalb des Teiles 20 gelagert. Block 24 und Träger 28 haben vertikale Bohrungen, die mit der Aussparung 22 auf einer Geraden liegen; ein Bolzen 30 geht durch die Bohrungen und die Aussparung hindurch, um so Träger und Block am Teil 20 zu befestigen.

Der Block 24 sowie der größere Teil des Sockels 20 weisen auch Horizontalbohrungen auf, durch die ein Bolzen 32 hindurchgeht. Der Bolzen 32 trägt eine zwischen Block 24 und Teil 20 gespannte Feder 34. Ein zweiter Bolzen 36 (Fig. 1 und 2) geht durch eine mit einem Gewinde versehene Bohrung im Breitteil des Teiles 20 hindurch und stützt sich auf die Gehäusewand 38. Eine Feder 40 drückt den Bolzen 36 gegen die Wand 38 (Fig. 2 und 4).

Eine mit Längslöchern 44 versehene Isolierscheibe 42 (Fig. 1 und 2) ist am Teil 20 mit Schrauben 46 befestigt; mit den Schrauben 48 sind die Scheiben 50 befestigt. Die Scheiben 50 tragen die Zuführungen 52

hältnismäßig große Anzahl von Ionen fest, bevor sein Potential neutralisiert ist.

Sobald die Ionenzahl in diesem Potentialbereich sich der Sättigung nähert, wird der Elektronenstrahl unterbrochen, und zwar am besten durch Einwirken des negativen, vom Impuls liefernden Stromkreis 112 (Fig. 6) stammenden Impulses von ungefähr —100 V am Steuergitter 58. Sobald der Elektronenstrahl unterbrochen ist und sich nur noch Ionen oberhalb der öffnung 84 befinden, wird dort ein starkes elektrisches Feld von positivem Potential geschaffen. Wenn nun ein negativer Impuls von ungefähr —200 V auf das lonenbeschleunigungsgitter wirkt, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Ionenfeld und dem Gitter 80^ so daß also die Ionen sehr stark vom Gitter angezogen werden. Dadurch gelangen die Ionen in Puls- oder Paketform zum lonenbeschleunigungsgitter und darüber hinaus in das magnetische Feld des Massenspektrometers der Fig. 7 und 8. Wie schon oben festgestellt, werden die Ionen desselben Paketes, die verschiedene Massen besitzen, voneinander dadurch getrennt, daß sie im Spektrometer eine Kreisbahn durchlaufen und daher die Auffangvorrichtung 16 (Fig. 7) nicht zu gleichen Zeitpunkten erreichen; die verschiedenen Laufzeiten geben über die Massen der Ionen Aufschluß. Der negative Impuls von etwa — 200 V greift am besten das lonenbeschleunigungsgitter 80 im ungefähr gleichen Moment an, zu dem der Elektronenstrahl vom Glühfaden 56 unterbrochen wird. Dieser Impuls kann jedoch auch kurz nach Unterbrechung des Elektronenstrahls eingeschickt werden und manchmal selbst sogar kurz bevor das Steuergitter 58 seinen Impuls erhält. Wie schon oben angegeben, wird ein negativer Impuls auf das Steuergitter 58 gegeben, um die Elektronen zum Glühfaden 56 zurückzuschicken; es ist jedoch aber auch möglich, das Gitter 58 mit einem positiven Impuls zu beschicken; dadurch werden dann nämlich die Elektronen an diesem Gitter angesammelt. Der Glühfaden 56 kann auch eine Normalspannung von der ungefähren Größe des Erdpotentials haben, wodurch jegliches Ausströmen irgendwelcher Elektronen verhindert wird, und zu Zeitpunkten, zu denen Elektronenimpulse erwünscht sind, kann der Glühfaden mit negativen Potentialimpulsen beschickt werden. Die Polarität der am Steuergitter 58 angreifenden Impulsspannung und die relative zeitliche Einstellung der am Steuergitter und 3 m lonenbeschleunigungsgitter 80 angreifenden Impulse hängen vom Verwendungszweck der Ionenimpulse ab. Anders gesagt, hängen Impulspolaritäten und zeitliche Einstellung davon ab, ob die Ionenimpulse für ein Massenspektrometer oder für eine andere Verwendungsmöglichkeit bestimmt sind.

Die hier beschriebene Ionenquelle hat mehrere wichtige Vorteile. Dadurch, daß die gebildeten Ionen im Potentialbereich des Elektronenstrahls zurückgehalten werden, wird die sich in einem relativ kleinen Raum-Gebiet befindliche Anzahl Ionen bedeutend vergrößert, und zwar in einem Maße, das die Möglichkeiten aller heute gebräuchlichen Vorrichtungen übersteigt. Ein plötzliches Unterbrechen des Elektronenstrahls ermöglicht die Auswertung dieser bedeutenden Ionenanreicherung — und zwar durch Benutzung der Ionenimpulsform — für Apparate, wie z. B. Massenspektrometer. So wurde z. B. gefunden, daß die Anzahl der im Potentialbereich der Elektronen vorhandenen Ionen annähernd 1000- bis lOOOOOOmal größer ist als diejenige Ionenzahl, die sich normalerweise im gleichen Raumgebiet befinden würde, wenn dort kein Potential vorhanden wäre. Diese Ionenanreicherung erleichtert das Bestimmen der Ionenmasse im Spektrometer und vereinfacht Schwierigkeiten in der Berechnung von Verstärkern und von anderen, zusammen mit dem Spektrometer benutzten Vorrichtungen. Das vom Elektronenstrahl geschaffene Potentialbereich kann beliebig eingeengt werden, und zwar durch Änderung der Öffnungsquerschnitte 60 und 6& der Steuer- und lonenbeschleunigungsgitter 58 bzw. 64. Das Anwenden eines schmalen Potentialbereiches

ίο ist vorteilhaft, weil dadurch das Entstehen verhältnismäßig kurzer Ionenimpulse gewährleistet wird. Das Einführen eines solchen kurz andauernden Ionenimpulses im Massenspektrometer erleichtert ein scharfes Auseinanderhalten von Impulsen verschiedener Masse.

Wie oben auseinandergesetzt, werden das Steuergitter 58 und das lonenbeschleunigungsgitter 80 im allgemeinen dann mit Impulsspannungen beschickt, wenn die im Potentialbereich der Elektronen anwesende Ionenzahl sich dem Sättigungswert nähert. Die Impulsbeschickung der Gitter kann mit konstanter Frequenz, z. B. lOOmal je Sekunde, vor sich gehen, oder aber auch nur vereinzelt stattfinden. Eine größere Impulsanzahl ist einem einzelnen Impuls vorzuziehen, wenn die Ionenquelle zusammen mit einem Massenspektrometer benutzt wird, da dadurch das Sichtbarwerden der Impulse in einem Oszilloskop erleichtert wird und die eventuell vorhandenen statistischen Schwankungen der Impulsamplituden gemittelt werden.

Claims (15)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Erzeugung von Ionenimpulsen oder -paketen mit Hilfe eines zeitweise unterbrochenen oder abgeschwächten Stromes von ionisierenden Teilchen, insbesondere Elektronen, in einem Bereich, in den auch neutrale ionisationsfähige Teilchen, Atome oder Moleküle, zwecks Ionisation durch die ionisierenden Teilchen eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen aus diesem Bereich durch Anlegen von Beschleunigungsimpulsen herausgezogen werden, die mit der zeitweisen Unterbrechung oder Abschwächung des ionisierenden Stromes gleiche Frequenz haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenbeschleunigungsimpulse im Hinblick auf den Augenblick der Unterbrechung oder Abschwächung des ionisierenden Stromes so eingestellt werden, daß die Ansammlung einer großen Anzahl von Ionen gewährleistet ist, und insbesondere daß die Gesamtladung der angesammelten Ionen einen Wert erreicht hat, der annäherungsweise die Ladung neutralisiert, die durch die ionisierenden Teilchen hervorgerufen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung oder Abschwächung des Stromes der ionisierenden Teilchen, insbesondere Elektronen, und zum Herausziehen der Ionen jeweils Reihen von Potentialimpulsen an die getrennten Elektroden (58, 80) angelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Impulsfolgen durch einen gemeinsamen, Impulse erzeugenden Kreis (112)

hergestellt werden und jeder Impuls der zweiten Folge im Hinblick auf den entsprechenden Impuls der ersten Folge einstellbar verzögert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zwecks Erzeugung von

Ionenimpulsen oder -paketen, dadurch gekenn-

zur Kathode 56 im Gehäuse 54, das durch eine Scheihe 55 an einer Seite geschlossen ist. Die Kathode 56 besteht aus einem keilförmigen Wolframstreifen zur Elektronenemission.

Ein Steuergitter 58 (Fig. 2 und 3), das aus einem Messingblech oder aus einem anderen leitenden Material hergestellt ist und das ein in seiner Mitte angebrachtes Loch 60 aufweist, ist mit Glasstiften 62 am Gehäuse 54 angebracht, und zwar an der der Scheibe 55 entgegengesetzten Seite. DieStifte62 tragen außerdem noch ein Elektronenbeschleunigungsgitter 64, das ebenfalls aus Messing hergestellt ist und vom Steuergätter 58 durch Unterlagsscheiben 66 aus Glimmer abgetrennt wird. Das Gitter 64 hat ebenfalls in seiner Mitte eine öffnung 68, die mit der Öffnung 60 des Steuergitters 58 auf einer Geraden liegt.

Die Steuer- und Beschleunigungsgitter 58 bzw. 64 befinden sich oberhalb des Trägers 28. Ein annähernd U-förmiger Rahmen 72 weist Flansche 70 auf (Fig. 3 und 4), die durch Stifte 74 am Träger 28 befestigt sind und mit Längslöchern 76 versehen sind, mittels deren die Lage dieser Flansche in bezug auf den Träger 28 durch gleitendes Verschieben geregelt werden kann. Ein Schlitz 78 ist auf der einen Seite des Gehäuses 72 vorgesehen, und ein Ionenbeschleunigungsgitter 80 (Fig. 4 und 5) ist diesem Schlitz 78 vorgelagert. Das Gitter 80 besteht aus mehreren vertikalen, zwischen zwei Stangen 81 gleichmäßig verteilten Kupferdrähten; die Stangen 81 sind ihrerseits mit Längsklammern 82 am Rahmen 72 befestigt und von diesem in geeigneter Weise isoliert.

Eine halbzylinderförmige Öffnung 84 (Fig. 2, 3 und 4) ist an der Oberseite des Trägers 28 vorgesehen, und zwar derart, daß der Zylinderdurchmesser, der in dem durch die halbe Höhe dieses Zylinders gehenden Querschnitt liegt, sich im Grundriß mit der gemeinsamen Achse der in den Gittern 58 bzw. 64 befindlichen Öffnungen 60 und 68 auf einer Geraden befindet. Die öffnung 84 steht mit einem Kanal 86 (Fig. 4) in Verbindung, der senkrecht zur Öffnung 84 durch den Träger 28 hindurchgeführt ist und der wiederum mit einem Rohr 88 in Verbindung steht, welches in den Träger in passender Weise eingeschoben ist. Die die verschiedenen Gase der unbekannten Mischung enthaltende Gaskammer 90 (Fig. 1) steht somit durch das Rohr 88 und den Kanal 86 mit der Öffnung 84 in Verbindung, was das kontinuierliche Ausströmen der Gase von 90 nach 84 gestattet.

Die Stifte 92 (Fig. 3) sind ebenfalls im Träger 28 eingepaßt und tragen vom Gehäuse 96 ausgehende Flansche. Auf der einen Seite des Gehäuses 96 ist eine öffnung 98 vorgesehen, die mit den in den Gittern 58 bzw. 64 vorgesehenen Öffnungen 60 und 68 auf einer Geraden liegt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses befindet sich die von diesem isolierte Auffangelektrode 100.

Der in Fig. 6 angegebene Stromkreis liefert dem G lüli faden 56, den Gittern 58, 64 und 80 sowie der Auffangelektrode 100 die passenden Spannungen. Dieser Stromkreis besteht aus einem Widerstand 102 und einem Potentiometer 104, die in Serienschaltung mit einer passenden Stromquelle, z. B. einer Batterie 106, verbunden sind, deren positiver Pol geerdet ist. Der Glühfaden 56 ist mit der dem Widerstand 102 und dem Potentiometer 104 gemeinsamen Verbindungsstelle verbunden; das Steuergitter 58 liegt am beweglichen Kontakt des Potentiometers 104 und das Beschleunigungsgitter 64 an der geerdeten Klemme der Batterie 106. Der Glühfaden 56 liegt etwa an — 90 V. das Steuergitter 58 an —70 V. Die Auffangelektrode 100 ist mit der positiven Elektrode einer Stromquelle, z. B. einer Batterie 108, um ungefähr +30V verbunden. Die negative Elektrode dieser Batterie ist geerdet.

Das Steuergitter 58 ist nicht nur mit dem beweglichen Kontakt des Potentiometers 104 verbunden, sondern auch über den Widerstand 110 mit dem Impulse liefernden Stromkreis 112. Somit wird dieses Steuergitter zu bestimmten Zeitpunkten mit Pulsen

ίο von rund —100 V bei einer jeweiligen Dauer von etwa einer Mikrosekunde oder weniger beaufschlagt. Der vom Stromkreis 112 erzeugte Impuls wird außerdem noch über einen passenden Verzögerungsstromkreis 114 zum Ionenbeschleunigungsgitter 80 geführt; dasselbe erhält somit einen Impuls von etwa —200 V, und zwar zum ungefähr gleichen Zeitpunkt, zu dem das Steuergitter 58 seinen Impuls erhält, was im einzelnen weiter unten ausgeführt wird.

Bevor irgendwelche Ionenausstrahlung der Quelle 12 stattfindet, wird die richtige Lage des Glühfadens 56 in bezug auf das Steuergitter 58 und das Elektronenbeschleunigungsgitter 64 eingestellt. Der Abstand des Glühfadens von den Gittern 58 und 64 wird durch den Bolzen 32 geregelt. Wenn z. B. der Bolzen 32 in Richtung der Uhrzeiger gedreht wird, verstellt er das Teil 20 nach links (gemäß Fig. 2) und nähert den Glühfaden 56 dem Steuergitter 58. In ähnlicher Weise wird die seitliche Stellung des Glühfadens 56 in bezug auf die Öffnungen 60 und 68 in den Gittern 58 bzw. 64 durch Drehen des Bolzens 36 geändert. So bewegt sich beispielsweise der Glühfaden nach rechts (gemäß Fig. 1), wenn der Bolzen 36 in Uhrzeigerrichtung gedreht wird, da die Isolierscheibe 42 sich mit dem Bolzen 36 zusammenbewegt und den Glühfaden 56 mitführt. Die Vertikalstellung des Glühfadens in bezug auf die Öffnungen 60 und 68 kann durch Lockerung der Schrauben 46 und durch Auf- und Abbewegen der Isolierscheibe 42 — vor Wiederanziehen dieser Schrauben — geregelt werden.

Nachdem sich der Glühfaden 56 in der richtigen Lage in bezug auf die Gitter 58 und 64 befindet, wird er durch die Zuführungen 52 mit Strom beschickt und durch diesen auf die zur Elektronenausstrahlung nötige Temperatur erhitzt. Die Elektronen werden dann durch das blendenförmige Steuergitter 58 in einen schmalen Strahl konzentriert. Nach Durchlaufen der Öffnung 60 des Gitters 58 werden die Elektronen durch die Linsenwirkung des Beschleunigungsgitters 64, der Auffangelektrode 100 und durch die

Öffnung 98 im Gehäuse 96 konzentriert und durch die steigenden Spannungen der Gitter 58 und 64 und der Auffangelektrode 100 beschleunigt. Man kann zusätzlich ein magnetisches Feld in Richtung des Elektronenfiusses anordnen, um das Entstehen eines sehr schmalen Elektronenstrahles zu erzielen.

Während die Elektronen den Raum oberhalb der Öffnung 48 durchlaufen, stoßen sie mit Gasmolekülen, die aus der Gaskammer 90 durch das Rohr 88 von unten her in die öffnung hineinströmen, zusammen.

Da die Elektronen eine verhältnismäßig große Geschwindigkeit haben, ist der Zusammenstoß mit den Gasmolekülen heftig genug, um die Ionisierung dieser Moleküle nach sich zu ziehen. Da nun die meisten dieser Ionen positiv geladen sind, während die Elektronen negative Ladung tragen, werden die Ionen im vom Elektronenstrom geschaffenen Potentialbereich festgehalten. Dieses Potentialbereich hat zunächst einen hohen negativen Potentialwert wegen der verhältnismäßig großen Anzahl der zur Auff angelektrode 100 strömenden Elektronen und hält somit eine ver-

zeichnet, daß sie aus einer emittierenden Kathode (56) und die Elektronen beschleunigenden und auffangenden Elektroden (58,64,100) einer Anordnung aus zur Einführung der von in dem Elektronenstrom sich durch Zusammenprallen ionisierenden Molekülen einer Kammer (90) sowie einer Steuerschaltung (112) zur Polarisierung der die Elektronen beschleunigenden Elektrode (58) besteht, um den Elektronenstrom in bestimmten Zeitabständen zu unterbrechen oder wenigstens stark abzuschwächen, und daß ferner eine polarisierbare ionenbeschleunigende Elektrode (80) vorgesehen ist, um die Ionen in einem in bezug auf den Zeitpunkt der Unterbrechung oder Abschwächung impulsweise aus dem Bereich, in dem sie sich gebildet oder angehäuft haben, zu entnehmen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenbeschleunigende Elektrode (80) senkrecht zur Richtung des Stromes der ionisierenden Teilchen (Elektronen) steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der ionisierenden Teilchen eine sehr kleine Ausdehnung in Richtung des Ionenaustrittes hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Stromes von ionisierenden Teilchen, Elektronen, eine Kathode (56), eine Steuerelektrode (58) und eine Auffangelektrode (100) sowie Mittel, insbesondere eine blendenförmige Elektrode (64), zur Beschleunigung der Teilchen und räumlichen Begrenzung des Stromes in Richtung senkrecht zu der Bahn der Teilchen enthält.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Ionenbildung durch eine prismatische und vorzugsweise parallelepipedische Kammer mit einer im Verhältnis zu ihrer Längsmessung in Richtung des Stromes der ionisierenden Teilchen kleinen Querabmessungen abgegrenzt ist und eine Seitenwand dieser Kammer die die Ionen herausziehende Elektrode, vorzugsweise in Form eines Gitters (80), bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die neutralen Teilchen in die Kammer durch eine öffnung (84) in entsprechender Lage zu dem schmalen Strom der ionisierenden Teilchen einführbar sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche S bis 10, gekennzeichnet durch einen elektrischen Steuerkreis (Fig. 6), von dem die Elektroden (56, 58, 80, 100) ein festes Potential erhalten und darüber hinaus bestimmte einzelne Elektroden (58-64) und (80-Erde) Potentialimpulse einerseits für die Abtrennung des Elektronenstromes und andererseits zur Herausziehung der Ionen erhalten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Verhältnis zur Kathode (56) ein negativer Potentialimpuls an die die Elektronen steuernde Elektrode (58) anlegbar ist, um den Strom abzuschneiden, und daß im Verhältnis zu der entgegengesetzten Seitenwand der Kammer (Erde) ein negatives Potential an die die Ionen herausziehende Elektrode (80), die den Bereich der Ionenbildung begrenzt, anlegbar ist, um die Ionen aus dieser Kammer herauszuziehen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreis (112) zur Erzeugung der kurzen und einen verhältnismäßig großen Zwischenraum aufweisenden Impulsen (z. B. Impulse in der Größenordnung von einer Mikrosekunde Dauer bei 100 Perioden je Sekunde) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse von dem erzeugenden Kreis (112) an die Steuerelektrode (58) direkt und an das die Ionen herausziehende Gitter (80) über eine einstellbare Verzögerungsvorrichtung (114) anlegbar sind.

15. Massenspektrometer auf der Grundlage der Laufzeitmessung, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ionen erzeugenden Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 14, bei welcher die Ionen an einer Ionensammelvorrichtung (16) zu empfangen sind und Mittel vorgesehen sind, wie z. B. ein Kathodenstrahloezillograph, um die Zeitpunkte anzuzeigen, in welchen die Ionen verschiedener Masse die Sammelvorrichtung erreichen.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 370673.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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