DE1097046B - Elektrisches Entladungsgefaess zum Umschalten eines geladenen Teilchenstromes, insbesondere eines Elektronenstromes - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Entladungsgefäß zum Umschalten eines geladenen Teilchenstromes, insbesondere eines Elektronenstromes, bei dem der Teilchenstrom unter der gemeinsamen Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines senkrecht dazu ausgerichteten magnetischen Feldes steht.

Es sind bereits elektrostatische Elektronenschaltvorrichtungen bekannt, bei denen eine Steuerelektrode in Abhängigkeit von dem zwischen ihr und zwei weiteren Elektroden liegenden Potential in der Lage ist, ein elektrisches Feld zwischen ihr und den anderen Elektroden in der einen oder anderen Richtung zu schaffen. Gegenüber derartigen rein elektrostatischen Schaltvorrichtungen haben Schaltvorrichtungen, bei denen die Elektroden gleichzeitig unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines senkrecht dazu ausgerichteten magnetischen Feldes stehen, den Vorteil einer höheren Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung zu schaffen, die zur Umschaltung eines geladenen Teilchenstromes, vorzugsweise eines Elektronehstromes unter der gemeinsamen Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines senkrecht dazu ausgerichteten magnetischen Feldes dient. Erfindungsgemäß sind drei sich parallel zum Magnetfeld erstreckende Elektroden vorgesehen, die einen Kanal begrenzen, dessen eine Seitenwand von zwei sich in einer Ebene befindenden Elektroden, welche zwischen sich einen Spalt zur Zufuhr der geladenen Teilchen frei lassen, gebildet wird, während die gegenüberliegende Wand des Kanals von der Steuerelektrode gebildet wird, die parallel zu der Ebene der Elektroden liegt.

Diese Anordnung hat gegenüber der bekannten rein elektrostatischen Schaltvorrichtung den weiteren Vorteil, daß zum Umschalten des Teilchenstromes lediglich die Spannung an einer Steuerelektrode und nicht, wie bei der bekannten Vorrichtung, an zwei Elektroden verändert werden muß.

Durch diese Ausbildung ist es nunmehr möglich, die Bahn der Teilchen eines im Apparat fließenden Stromes je nach Bedarf umzuschalten. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise in einem Elektronenvervielfacher, dessen Eingangsanode von Ionengruppen verschiedener Masse erregt wird, die von einem auf Grundlage der Fluggeschwindigkeitsbestimmung arbeitenden Massenspektrometer herrühren, verwendet werden. Wird daher die Schaltvorrichtung in einem Vervielfacher zwischen die Bahn der Elektronen geschaltet, so können verschiedene Signale bei entsprechenden Ankunftszeiten auf der Eingangsplatte des Vervielfältigers erhalten und dadurch die Mischung eines Gases analysiert werden, wenn zwei Gruppen Elektrisches Entladungsgefäß

zum Umschalten eines geladenen

Teilchenstromes, insbesondere eines

Elektronenstromes

Anmelder:

The Bendix 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 28. Februar 1955

von Ionen mit verschiedener Masse zwei Bestandteilen entsprechen.

Weitere Einzelheiten der beschriebenen Anordnung sind der Beschreibung sowie der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht der gesamten Vorrichtung;

Fig. 2 und 3 sind vereinfachte senkrechte Schnitte, welche den Weg der Teilchen im Hinblick auf die beiden Wirkungszustände der Schaltvorrichtung verdeutlichen.

Die gezeigte Vorrichtung besteht aus einem im Querschnitt rechtwinklig umschlossenen Raum. Die vordere große Seitenfläche wird durch eine Platte 22 gebildet, welche als Steuerelektrode wirkt. Die hintere große Seitenfläche wird durch zwei Platten 18., 20 gebildet, welche als Elektroden mit einem festen Potential ausgebildet sind. Zwischen diesen beiden Elektroden befindet sich ein Zwischenraum, welcher zum Einlaß der Teilchen dient. Die kleinen Seitenflächen werden durch zwei S ammelelektroden 26 und 28 gebildet.

Die Eingangsvorrichtung der Teilchen wird durch zwei Platten 14 und 16 gebildet, die parallel und senkrecht zu den großen Flächen der Umfassung verlaufen. Diese Platten begrenzen zwischen dem von den Elektroden 18 und 20 gebildeten Zwischenraum

009 698/415

einen Durchgang. Am Ende dieses Durchganges, befindet sich für die geladenen Teilchen eine Teilchenquelle 10, die von einer Elektronen aussendenden oder als Ionenquelle dienenden geeigneten Kathode dargestellt wird. Im folgenden soll angenommen werden, daß diese Teilchen Elektronen sind. Diese Vorrichtung befindet sich in einem magnetischen Feld, welches senkrecht zu der Zeichnung verläuft und in dem Luftspalt eines starken Magneten. herrscht, welcher durch seine Polstücke 40 in der Fig. 1 dargestellt ist.

Der Abstand zwischen den Platten 14 und 16 ist in dem vorliegenden Beispiel etwa 1,5 mm. Der Abstand zwischen den Plattea:18 und 22 oder zwischen 20 und 22 kann 6 mm betragen.

Zwischen den beiden Wänden 14 und 16 des allgemein mit dem Bezugszeichen 12 versehenen Leitkanals oder Zuführungsraümes herrscht ein ■ elektrisches Feld. Dieses ist so beschaffen, daß durch die gemeinsame Wirkung dieses Feldes und eines normalen magnetischen Feldes die von der Kathode 10 ausgesandten Elektronen zwischen den beiden Wänden •dieses-Eintrittskanals auf .den zwischen den Platten 18 und 20 eingelassenen Zwischenraum geführt werden. Es ist bekannt, daß unter diesen Bedingungen die Elektronen eine Flugbahn beschreiben, die sich aus mehreren zykloiden Kreisbogen zusammensetzt, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Wenn in dem vorliegenden Beispiel die Kathode 10, um eine ausreichende Elektronenemission sicherzustellen, eine Spannung, von —75 V aufweist, und wenn das senkrechte magnetische Feld 350 Gauß stark ist, können die Platten 14 und 16 eine Spannung von —100 bzw. —50 V aufweisen.

Die Elektroden 18, 20 und 22 bilden die langen Seiten der rechteckigen Umfassung und sind mit bestimmten Potentialen aufgeladen, damit der in den umgrenzten Raum eindringende Elektronenstrom innerhalb einer normalen Zeit zu den Anoden, beispielsweise zur Anode 26, geleitet wird. Aus diesem Grunde kann die Elektrode 18 eine Spannung von ■—180 V aufweisen, die Elektrode 20 durch Erdung OV und die Steuerelektrode 22 eine Spannung von +20V haben. Die Anoden 26 und 28 sind über zwischengeschaltete Widerstände 34 und 36 an Erde gelegt. In der Fig. 1 ist mit 30 ein Block bezeichnet, welcher als ständige Energiequelle dient, indem er die verschiedenen Elektroden, wie weiter unten beschrieben, mit einem ständigen Potential versorgt. Die Versorgung der Elektrode 22 erfolgt über einen zwischengeschalteten Widerstand 32.

Es ist ersichtlich, daß unter diesen Bedingungen die in den umgrenzten Raum eindringenden Elektronen stark in diejenige Zone abgelenkt werden, welche sich rechts von der Symmetrieachse 20 befindet. Die Elektronen durchdringen alle diese Zone, indem sie ihrer zykloiden Flugbahn folgen, um sich dann auf der Achse 26 zu sammeln, wobei sie aber nicht in die links von der Symmetrieachse befindliche Zone eindringen können.

Überlagert man nun das schwache positive Potential, welches bis zur Elektrode 22 herrscht, mit einer genügend hohen negativen Spannung, so kehren sich die Bedingungen um. In dem hier aufgeführten Beispiel erhält die Elektrode 22 eine Spannung von —220 V, so daß sie jetzt eine Spannung von —200 V hat. Hat man nun vorher zwischen den Elektroden 18 und 22 eine Spannung von +200 V und zwischen den Elektroden 20 und 22 eine Spannung von +20V gehabt, so herrscht jetzt zwischen 18 und 22 eine Spannung von —20 V und zwischen 20 und 22 eine Spannung von —200 V, wobei das Minuszeichen eine entgegengesetzte Spannungsrichtung bezeichnen soll. Die Bedingungen sind den vorhergehenden entgegengesetzt und der Elektronenstrom ist augenblicklich von der rechten Zone zur linken Zone umgeschaltet, so daß jetzt die Teilchen auf der Anode 28 gesammelt werden.

Zweckmäßigerweise stammt das der Steuerelektrode 22 mitgeteilte Umkehrpotential aus einem Impulsgeber, der in der Fig. 1 mit 38 bezeichnet ist. Diese Vorrichtung erlaubt es, der Steuerelektrode ein Potential zu vermitteln, welches während genau begrenzter Zeitspannen und zu bestimmten Zeitabschnit-

ten geliefert wird.

Wie bereits beschrieben, kann der unter der Wirkung der Schaltvorrichtung stehende Teilchenfluß durch Sekundärelektronen gebildet werden, die aus einer gewählten Platte eines Elektronen-Vervielfachers stammen. Die Leit- oder Zufluß vorrichtung 12 kann nun gesteuert werden, indem man den einen der beiden Wandteile 14 und 16 mit einem Potential versorgt. Die Steuerung der Elektrode 22 durch den Impulsgeber 38 kann in diesem Falle selbst mit dem Kommandogeber der Vorrichtung 12 verbunden werden, damit die Elektronenbündel, welche nach und nach von der Vorrichtung 12 zugeführt werden, mal auf die eine Anode 14 und mal auf die andere Anode 16 abgesandt werden. Dieses gestattet besonders den relativen Elektronenüberfluß in jedem Bündel durch Vergleich der Intensitäten der von den beiden Anoden 26 und 28 ausgesandten Signale anzuzeigen.

Bei der beschriebenen Anordnung ist der Anteil der Elektronen, welche zu einem gegebenen Zeitpunkt nicht in den ihr entsprechenden Bereich eindringen oder von anderen Elektroden als der entsprechenden Anode absorbiert werden, zu vernachlässigen. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist überaus einfach und genau, sofern das Potential dieser einzigen Steuerelektrode genügend beeinflußt ist. Die Arbeitsweise ist sehr stabil und die den Elektroden 18 und 20 gegebenen Spannungshöhen können eine hervorragende Abweichung bewirken, ohne daß die Zuverlässigkeit des Schaltvorganges leidet. Man hat auch festgestellt, daß eine Änderung von ± 10 V auf die im Beispiel angewandte Spannung von —220 V auf die Elektrode 22 keine schädlichen Wirkungen nach sich zieht.

Im Hinblick auf die gasförmigen Moleküle entstehen notwendigerweise in dem Bereich der Schaltvorrichtung unter der Stoßwirkung der hineingeführten Teilchen unvermeidliche Überreste. In den bekannten analogen Schaltvorrichtungen verfälscht die Gegenwart dieser Ionen, welche von den Sammelelektroden angezogen werden, in ganz besonderem Maße die Meßergebnisse. Im Gegensatz hierzu werden in dem beschriebenen Schaltgerät die gebildeten Ionen von der Elektrode 18 oder 20 der Schaltvorrichtung in dem betrachteten Augenblick angezogen und sind somit absorbiert, bevor sie die Anoden 26 oder 28 erreichen können und somit fälschliche Meßwerte verursachen können.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Entladegefäß zum Umschalten eines geladenen Teilchenstromes, insbesondere eines Elektronenstromes, bei dem der Teilchenstrom unter der gemeinsamen Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines senkrecht dazu ausgerichteten magnetischen Feldes steht, dadurch

gekennzeichnet, daß drei sich parallel zum Magnetfeld erstreckende Elektroden (18, 20, 22) vorgesehen sind und einen Kanal begrenzen, dessen eine Seitenwand von zwei sich in einer Ebene befindenden Elektroden (18, 20), welche zwischen sich einen Spalt zur Zufuhr der geladenen Teilchen frei lassen, gebildet ist, während die gegenüberliegende Wand des Kanals von der Steuerelektrode (22) gebildet ist, die parallel zu der Ebene der Elektroden (18, 20) liegt.

2. Elektrisches Entladegefäß nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Teilchenquelle (10) und der zwischen den Elektroden (18, 20) vorgesehenen Eintrittsöffnung zwei parallel zueinander liegende und ein elektrisches Feld bildende Elektroden (14, 16) vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2556 166.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen