DE1128177B

DE1128177B - Mass separation system

Info

Publication number: DE1128177B
Application number: DEV12586A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Peter F Vara Dipl-Chem; Dipl-Ing Ladislaus Sebestyen
Original assignee: E Leybolds Nachfolger AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1957-06-13
Filing date: 1957-06-13
Publication date: 1962-04-19

Description

Massentrennungssystem Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Trennung von Atomen und Molekülen mit verschiedenem Ladung-Masse-Verhältnis. Derartige Anordnungen bezeichnet man als Massentrennungssystein, oder kurz Massenspektrometer. Zum Nachweis positiv bzw. negativ geladener Teilchen sind in den letzten Jahren neben den klassischen Massenspektrometern, z.B. nach Aston, Dempster, Nier usw., unter anderem Anordnungen vorgeschlagen worden, die von dem in der Höchstfrequenztechnik bekannten Laufzeitprinzip Gebrauch machen.Mass Separation System The invention relates to an arrangement for separation of atoms and molecules with different charge-to-mass ratios. Such arrangements is called a mass separation system, or mass spectrometer for short. As proof positively or negatively charged particles are in addition to the classic in recent years Mass spectrometers, e.g. according to Aston, Dempster, Nier etc., among other arrangements been proposed by the run-time principle known in high-frequency technology Make use.

Die Erfindung geht von einer bekannten Massenspektrometerröhre aus, bei der die Massentrennung im Gegensatz zu den magnetischen Spektrometern ausschließlich durch eine Laufzeitaussonderung der durch ionendurchlässige Elektroden der Trennstrecke hindurchtretenden geladenen Teilchen unter Anwendung einer in ihrer Frequenz veränderbaren Hochfrequenzspannung erfolgt (W. H. B e n n e t t, Journ. of Appl. Phys., 1950, S. 143). Derartige Massenspektrometer werden im folgenden als »Bennett-Type« bezeichnet. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß kein Magnetfeld zur Fokussierung der Teilchenbahnen erforderlich ist. Bei den bekannten, nicht äquidistanten Elektrodenanordnungen, wie sie auch beim Bennettschen System vorliegen, lassen sich die sogenannten »harmonischen Spitzen« nicht vermeiden, ohne daß gleichzeitig andere Eigenschaften des Svstems verschlechtert werden (R. W. Kerr, Journ. of Electronics, Bd. 2, 1, 1956, S. 179). Harmonische Spitzen entstehen bei der Anzeige von Einzelmassen in Verbindung mit Bennett-Systemen dadurch, daß auch ganzzahlige Vielfache der durch die Hochfrequenz ausgesonderten Massen die Trennstrecke passieren können und mit entsprechend geringerer Amplitude aufgezeichnet werden. Es sind bereits Anordnungen vorgeschlagen worden, welche die in der Bennettschen Röhre auftretenden »harmonischen Spitzen« weitgehend vermeiden (P. F. V ä r a d i und L. G. Sebesty#ii, Journ. of. Hung. Chem., 33, 1955). Trotz der bekannten Maßnahmen zur Vermeidung dieser Spitzen ist das HF-Massentrennungssystem nach dem Bennett-Prinzip nicht für quantitative Analysen schnell verlaufender und sich in großen Bereichen ändernder Druckvorgänge geeignet, wie zahlreiche der Erfindung zugrunde liegende theoretische und experimentelle Untersuchungen gezeigt haben. Bei dem-,Bennett-Spektrometer zeigt sich ein störendes druckabhängiges Nullniveau, d. h., der Kollektorstrom bei nicht auf Sollfrequenz eingestelltem Spektrometer oder ohne Hochfrequenzspannung ändert sich unerwünscht in Abhängigkeit vom Druck im Meßraum. Dieses Nullniveau beeinträchtigt die Empfindlichkeit des Spektrometers und ist vom Druck über eine komplizierte, nichtlineare Beziehung abhängig. Darüber hinaus ist das Nullniveau auch noch von der Gasart abhängig. Für die quantitative Analyse bringt das Vorhandensein eines druck- und gasartabhängigen Nullniveaus erhebliche Fehler mit sich. Zur Überwachung von gasanalytischen Vorgängen, bei denen der Druck in großen Bereichen schwankt, ist ein Massentrennungssystem mit sehr großem Partialdruckmeßbereich erforderlich. Das klassische Massenspektrometer erlaubt in bekannter Weise nur die Messung langsamer und sich in kleinen Druckbereichen ändernder Vorgänge. Die Änderung in kleinen Druckbereichen kommt dadurch zustande, daß der lonenlaufraum ein eigenes Vakuumsystem aufweist, das mit dem Vakuumsystem der Ionenquelle nur über einen Spalt verbunden ist. Dagegen benötigt das Hochfrequenz-Massentrennungssystem nach Bennett nur ein Vakuumsystem.The invention is based on a known mass spectrometer tube in which, in contrast to the magnetic spectrometers, the mass separation takes place exclusively by separating out the charged particles passing through the ion-permeable electrodes of the separation distance using a high-frequency voltage of variable frequency (WH Bennett, Journ. Of Appl . Phys., 1950, p. 143). Such mass spectrometers are referred to below as "Bennett types". The advantage of this arrangement is that no magnetic field is required to focus the particle trajectories. In the case of the known, non-equidistant electrode arrangements, as also exist in the Bennett system, the so-called "harmonic peaks" cannot be avoided without simultaneously impairing other properties of the system (RW Kerr, Journ. Of Electronics, Vol. 2, 1 , 1956, p. 179). Harmonic peaks arise when individual masses are displayed in connection with Bennett systems because whole-number multiples of the masses separated out by the high frequency can pass the separating distance and are recorded with a correspondingly lower amplitude. There have already been proposed arrangements which the "occurring in the Bennett's tube harmonic peaks" largely avoided (PF V ä r a d i and L. G. Sebesty # ii, Journ. Of. Hung. Chem., 33, 1955). Despite the known measures for avoiding these peaks, the HF mass separation system based on the Bennett principle is not suitable for quantitative analyzes of rapidly running printing processes that change in large areas, as numerous theoretical and experimental investigations on which the invention is based have shown. The Bennett spectrometer shows a disturbing, pressure-dependent zero level, i. That is, the collector current with the spectrometer not set to the nominal frequency or without high-frequency voltage changes undesirably as a function of the pressure in the measuring space. This zero level affects the sensitivity of the spectrometer and is pressure dependent through a complicated, nonlinear relationship. In addition, the zero level also depends on the type of gas. For quantitative analysis, the presence of a pressure and gas type-dependent zero level involves considerable errors. A mass separation system with a very large partial pressure measuring range is required to monitor gas analysis processes in which the pressure fluctuates in large areas. The classic mass spectrometer only allows the measurement of slow processes that change in small pressure ranges in a known manner. The change in small pressure ranges is due to the fact that the ion running space has its own vacuum system, which is only connected to the vacuum system of the ion source via a gap. In contrast, Bennett's high-frequency mass separation system only requires a vacuum system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, durch den die Massentrennung bei schnell verlaufenden und sich in großen Druckbereichen (10-5 bis 10-7 Torr) ändernden Vorgängen verbessert wird. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwischen der lonenquelle und dem lonenlaufraum eines Hochfrequenzmassenspektrometers nach dem Bennett-Typ eine mechanische und/oder elektrische Abschirmung angeordnet ist. Nach einer Weiterbildung der Erfindung soll das System so aufgebaut sein, daß die Maximallänge des lonenlaufraumes der oberen Grenze des Totaldruckbereiches entspricht. In der Praxis wird man von einem bestimmten Totaldruckbereich auszugehen haben, d. h., man kennf eine obere und eine untere Grenze des Totaldruck-bereiches, nach denen die zu beobachtenden Vorgänge ablaufen werden. Bei Kenntnis dieser Grenzwerte kann man nun nach der Lehre der Erfindung eine Aussage hinsichtlich der Gesamtlänge des lonenlaufraumes gewinnen, indem man die der oberen Grenze entsprechende freie Weglänge bestimmt. Beträgt diese beispielsweise 10 cm, so darf die Länge des Ionenlaufraumes die gleiche Abmessung nicht überschreiteh, wenn man keine wesentliche Verschlechterung_ des Auflösevermögens in Kauf nehmen will. Man kann andererseits bereits vor der praktischen Erprobung bei gegebenem Totaldruckbereich durch die Maximallänge des Ionenlaufraumes einen zulässigen Gitterabstand definieren und dadurch unnötig enge Fertigungstoleranzen vermeiden.The invention is based on the object of showing a way by which the mass separation is improved in the case of processes that run rapidly and that change in large pressure ranges (10-5 to 10-7 Torr). According to the invention it is proposed that a mechanical and / or electrical shield is arranged between the ion source and the ion flow space of a high-frequency mass spectrometer of the Bennett type. According to a further development of the invention, the system should be constructed in such a way that the maximum length of the ion flow space corresponds to the upper limit of the total pressure range. In practice one will have to start from a certain total pressure range, i. That is, one knows an upper and a lower limit of the total pressure range, according to which the processes to be observed will take place. With knowledge of these limit values, according to the teaching of the invention, a statement can now be made regarding the total length of the ion travel space by determining the free path corresponding to the upper limit. If this is 10 cm, for example, then the length of the ion run space must not exceed the same dimension if one does not want to accept any significant deterioration in the resolution. On the other hand, with a given total pressure range, it is possible to define a permissible grid spacing by means of the maximum length of the ion running space before the practical testing and thereby avoid unnecessarily tight manufacturing tolerances.

Die erfindungsgemäßen Merkmale wurden vorstehend zur Verbesserung eines Massentrennungssystems nach dem Bennett-Typ erläutert. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen- wird aber auch in anderen Typen von Laufzeitmassenspektrometern die Massentrennung bei schnell verlaufenden und sich in großen Druckbereichen ändernden Vorgängen verbessert. Als Beispiel wird das Massenspektrometersystein -von Smythe und Matt auch genannt (Physical Review, 40, S. 429, 1932). Dabei handelt es sich um eine Massenspektrometeranordnung, bei der die Teilchen nicht durch ionendurchlässige gitterförmig gestaltete Elektroden hindurchtreten, sondern zwischen Plattenelektroden nach der Art einer Kondensatoranordnung beschleunigt werden.The features of the present invention have been discussed above to improve a Bennett-type mass separation system. With the measures according to the invention, however, the mass separation is also improved in other types of transit time mass spectrometers in the case of processes that run rapidly and that change in large pressure ranges. The mass spectrometer system by Smythe and Matt is also mentioned as an example (Physical Review, 40, p. 429, 1932). This is a mass spectrometer arrangement in which the particles do not pass through ion-permeable, grid-shaped electrodes, but are accelerated between plate electrodes in the manner of a capacitor arrangement.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is described in greater detail below with the aid of exemplary embodiments explained.

Die Abb. 1 zeigt eine schematische übersieht eines Hochfrequenz-Massentrennungssystems, bei dem die Lehre nach der Erfindung angewendet wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Vakuumgefäß vorzugsweise aus einem Glasbehälter 1 mit einem Gaseinlaß 2 und einem weiteren Ansatz 3'zum Anschluß an eine normale Vakuumpumpanlage. Bei dem Ausführungsbeispiel läuft der Gaseinlaß 2 in eine Kapillare 4 aus, durch die das Gas direkt in die Ionenquelle 5 einströmen kann. Zur Ionisation der Atome und Moleküle ist hier ein Heizelement 6 vorgesehen, das die benötigten Elektronen liefert. Mittels des Gitters 7 können die Ionen aus der Ionenquelle 5 herausgesaugt werden und in den nachfolgenden Ionenlaufraum eintreten. Dieser ist transversal zur Röhrenachse mit einer Reihe von Gittern versehen, wobei jedes zweite Gitter zu einem Gittersystem 8 verbunden ist. Die dazwischenliegenden Gitter sind ebenfalls miteinander zu einem weiteren Gittersystem 9 verbunden; beide Systeme liegen an Gleichspannung (gegebenenfalls Nullpotential) und können einzeln oder gemeinsam zur Zuführung der Hochfrequenz dienen. Das Gitter 10 ist ein Energiefilter. dem ein Gitter 11 in Richtung zum Ionenkollektor 12 folgt und das als Ansaugelektrode für die Ionen dient. Die Elektrode 13 dient als Abschirmung. Gemäß der Lehre nach der Erfindung ist die Ionenquelle 5 vom nachfolgenden lonenlaufraum durch eine Glaswand 14 getrennt. Diese Glaswand ist mit einem Loch von z. B. 5 mm Durchmesser versehen.Fig. 1 shows a schematic overview of a high frequency mass separation system in which the teaching of the invention has been applied. In this exemplary embodiment, the vacuum vessel preferably consists of a glass container 1 with a gas inlet 2 and a further attachment 3 'for connection to a normal vacuum pump system. In the exemplary embodiment, the gas inlet 2 runs out into a capillary 4 through which the gas can flow directly into the ion source 5. To ionize the atoms and molecules, a heating element 6 is provided here, which supplies the electrons required. By means of the grid 7 , the ions can be sucked out of the ion source 5 and enter the subsequent ion travel space. This is provided with a number of grids transversely to the tube axis, with every second grid being connected to form a grid system 8 . The grids in between are also connected to one another to form a further grid system 9 ; Both systems are connected to direct voltage (possibly zero potential) and can serve individually or together to supply the high frequency. The grid 10 is an energy filter. which is followed by a grid 11 in the direction of the ion collector 12 and which serves as a suction electrode for the ions. The electrode 13 serves as a shield. According to the teaching of the invention, the ion source 5 is separated from the subsequent ion flow space by a glass wall 14. This glass wall is with a hole of z. B. 5 mm diameter.

. An Hand von Abb. 2 sei der Potentialverlauf entlang der Röhrenachse erläutert. In dem Ausführungsbeispiel liegt die Kathode 6 auf positivem Potential, etwa + 30 V, das bis zur Ionenquelle etwa linear ansteigt. Durch die Ionenquelle hindurch bleibt das Potential erhalten, um dann etwa in der Ebene des Gitters 7 auf einen stark negativen Wert abzusinken (etwa -300V). In der Fortschreitungsrichtung zum lonenkollektor wird das Gleichpotential an den Gittersystemen 8, 9 angehoben auf Werte, die zwischen -275 und -JOV veränderbar sind. Man kann beispielsweise beide Gittersysteme 8, 9 verbinden und gemeinsam auf eine Gleichspannung von -100V legen. Zu dem Gleichpotential der Gittersysteme 8, 9 wird dem Gittersystem 9, wie in Abb. 1 gezeigt, eine Hochfrequenzspannung oberhalb 3 V, z. B. von 20 V, bei definierter Frequenz überlagert. Das Energiefilter 10 besitzt ein höheres positives Potential als die Ionenquelle 5, z. B. + 300 V, wührend das Ansauggitter 11 der bevorzugten Ionenmassen, welches gleichzeitig eine Abschirmung des Laufraumes wie Gitter 7 darstellt, auf etwa - 300 V gehalten ist. Der lonenkollektor liegt über dem Meßgerätewiderstand auf Erdpotential, und die elektrostatische Abschirmung 13 gegen äußere Störfelder ist in diesem Beispiel geerdet. . The potential curve along the tube axis is explained with reference to Fig. 2. In the exemplary embodiment, the cathode 6 is at a positive potential, approximately + 30 V, which increases approximately linearly up to the ion source. The potential is retained through the ion source, and then drops to a strongly negative value (approximately -300V) approximately in the plane of the grid 7. In the direction of progress towards the ion collector, the constant potential at the grid systems 8, 9 is raised to values which can be varied between -275 and -JOV. For example, both grid systems 8, 9 can be connected and put together to a DC voltage of -100V. To the DC potential of the grid systems 8, 9 to the grid system 9 as shown in Fig. 1 is shown a high frequency voltage above 3 V, for example. B. of 20 V, superimposed at a defined frequency. The energy filter 10 has a higher positive potential than the ion source 5, e.g. B. + 300 V, while the suction grid 11 of the preferred ion masses, which at the same time represents a shield of the running space such as grid 7 , is kept at about - 300 V. The ion collector is at ground potential via the measuring device resistance, and the electrostatic shield 13 against external interference fields is grounded in this example.

Nachfolgend sei kurz die Wirkungsweise des Massentrennungssystems beschrieben. Das zu analysierende Gasgemisch gelangt in die lonenquelle 5 der Röhre und wird durch die aus dem Heizelement 6 austretenden und durch das positive Potential der Ionenquelle 5 beschleunigten Elektronen ionisiert. Die positiven Ionen werden mit Hilfe des negativen Gitters 7 aus der lonenquelle herausgezogen. Im Bereich der weiteren Gitter bewegen sich die Ionen, solange keine Hochfrequenz angelegt ist, in einem feldfreien Laufraum mit der Geschwindigkeit In der Formel bedeutet v = lonengeschwindigkeit, ei = Ionenladung, mi = Ionenmasse, U = Ionenbeschleunigungsspannung.The mode of operation of the mass separation system is briefly described below. The gas mixture to be analyzed reaches the ion source 5 of the tube and is ionized by the electrons emerging from the heating element 6 and accelerated by the positive potential of the ion source 5. The positive ions are drawn out of the ion source with the aid of the negative grid 7. In the area of the other grids, as long as no high frequency is applied, the ions move at speed in a field-free space In the formula, v = ion velocity, ei = ion charge, mi = ion mass, U = ion acceleration voltage.

Wenn jetzt an das mittlere der ersten drei Gitter im Ionentrennsystem eine Hochfrequenzspannung gelegt wird, so gibt es Ionen mit einem gewissen ei/mi-Verhältnis, die aus dem Hochfrequenzfeld Energie gewinnen, also beschleunigt werden. Andere Ionen verlieren Energie im Hochfrequenzfeld oder durchlaufen die Gitter ohne Energieaustausch. Dieser Prozeß, also die Beschleunigung einer gewissen Ionensorte durch die Hochfrequenzspannung, spielt sich in den weiteren Stufen wiederholt ab. Das am Ende der Röhre beflndliche Energiefilter bewirkt, daß die Kollektorelektrode 12 nur Ionen erreichen können, die die maximale Energie aus dem Hochfrequenzfeld gewonnen haben. Zwischen der Massenzahl M der Ionen, der Ionenbeschleunigungsspannung U, dem Gitterabstand s und der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannungf besteht die Beziehung: Hierin ist K eine unter anderem von der Gitterzahl abhängige Konstante, wie die Abb. 3 zeigt. In dieser Abbildung ist der Proportionalitätsfaktor K als Funktion der Stufenzahl N dargestellt, wie sie sich aus der Anzahl der einzelnen Gitter des lonentrennraumes ergibt.If a high-frequency voltage is now applied to the middle of the first three grids in the ion separation system, there are ions with a certain ei / mi ratio that gain energy from the high-frequency field, i.e. are accelerated. Other ions lose energy in the high-frequency field or pass through the grids without exchanging energy. This process, i.e. the acceleration of a certain type of ion by the high-frequency voltage, takes place repeatedly in the subsequent stages. The energy filter located at the end of the tube ensures that the collector electrode 12 can only reach ions which have obtained the maximum energy from the high-frequency field. The relationship between the mass number M of the ions, the ion acceleration voltage U, the lattice spacing s and the frequency of the applied high-frequency voltage f is: Here, K is a constant that depends, among other things, on the number of grids, as Fig. 3 shows. In this figure, the proportionality factor K is shown as a function of the number of stages N , as it results from the number of individual grids in the ion separation space.

An Hand von Abb. 4 und 5 soll das charakteristische Verhalten eines nach dem Stande der Technik bisher bekannten Massenspektrometers dem Verhalten einer Anordnung gemäß der Lehre nach der Erfindung gegenübergestellt werden.With reference to FIGS. 4 and 5 , the characteristic behavior of a mass spectrometer known so far according to the state of the art is to be compared with the behavior of an arrangement according to the teaching of the invention.

In Abb. 4 ist der Kollektorstrom Il. als Funktion des Druckes P in einem Massentrennungssystern bisheriger Bauart dargestellt. Kurve a zeigt den Kollektorstrom II", am Ionenkollektor der bekannten An.-ordnung, wenn die nach Gleichung (2) zu der im Raum vorhandenen Masse M gehörende Hochfrequenzspannung der Frequenz f an das Ionenbeschleunigungssystem angelegt wird. Nach Ab- schalten der Hochfrequenz fällt der Kollektorstrom auf einen endlichen Wert ab, der als Funktion des Druckes durch Kurve b wiedergegeben ist. Dieser Kollektorstrom ist also das sogenannte Nullniveau, das in kompliziertem, nichtlinearem Zusammenhang mit dem Druck steht. Infolgedessen gehorcht auch die Kurve a einer nichtlinearen Beziehung, so daß eine einfache Aufnahme einer Eichkurve für ein gegebenes Gas nicht möglich ist. Während man bei einer Gasart aus der Differenz der durch die Kurve a und b gegebenen lonenströme II", und llb noch auf den Partialdruck schließen kann, so ist dieses bei mehreren Gasarten im Raum unmöglich, da sich die Kurve b aus nicht bekannten Anteilen der Gasarten zusammensetzt.In Fig. 4 the collector current is Il. shown as a function of the pressure P in a mass separation system of the previous type. Curve A shows the collector current II ", trim An.-on ion collector of the known, if the equation (2) belonging to the present in the room mass M high frequency voltage of frequency f is applied to the ion acceleration system. After completion of the high-frequency switch drops the Collector current to a finite value, which is shown as a function of the pressure by curve b . This collector current is therefore the so-called zero level, which has a complicated, non-linear relationship with the pressure. As a result, curve a also obeys a non-linear relationship, so that a simple recording of a calibration curve for a given gas is not possible. While one can still deduce the partial pressure for one type of gas from the difference between the ion currents II "and IIb given by curves a and b, this is impossible with several types of gas in the room , since curve b is composed of unknown proportions of the gas types.

Um mit erträglichem Aufwand, auch unter Zuhilfenahme von Rechenmaschinen, bei Anwesenheit mehrerer Gasarten im Massenspektrometer aus den gemassenen Ionenstromintensitäten auf die im Raum vorhandenen Partialdrücke der Gassorten schließen zu können, ist eine lineare Beziehung zwischen dem Gaspartialdruck und dem Kollektorstrorn pg = S'Ik (3) erforderlich, wobei das Nullniveau keinen merklichen Beitrag liefern darf. Darin sind pg = gesuchter Gaspartialdruck, S = Apparatekonstante, Ik = Kollektorstrom.In order to be able to deduce the partial pressures of the types of gas in the room from the mass ion current intensities with a tolerable effort, also with the help of calculating machines, when several types of gas are present in the mass spectrometer, a linear relationship between the gas partial pressure and the collector flow pg = S'Ik (3 ) is required, whereby the zero level must not make a noticeable contribution. Here pg = sought gas partial pressure, S = apparatus constant, Ik = collector current.

Diese Forderungen lassen sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Massentrennungssystems erfüllen. Durch Einbau, z. B. einer Glaswand 14 und eines nachfolgenden stark negativen Gitters 7, wie in Abb. 1 gezeigt, wird das Nullniveau in einem erheblich größeren Druckbereich vollständig unterdrückt, wie aus der in Abb. 5 gezeichneten Kurve d zu ersehen ist. Bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung der Frequenz f erhält man für die zugehörige Massenzahl M bei veränderlichem Druck P zwischen dem Kollektorstrom 11, und dem Druck P den nach der Gleichung (3) geforderten linearen Zusammenhang. Nach Abb. 5 verläuft die Eichkurve c zwischen den Drücken Pl und P, linear.These requirements can be met with the design of a mass separation system according to the invention. By installation, e.g. B. a glass wall 14 and a subsequent strongly negative grid 7, as shown in Fig. 1 , the zero level is completely suppressed in a considerably larger pressure range, as can be seen from the curve d drawn in Fig. 5. When a high-frequency voltage of frequency f is applied, the linear relationship required by equation (3) is obtained for the associated mass number M with a variable pressure P between the collector current 11 and the pressure P. According to Fig. 5 , the calibration curve c between the pressures Pl and P, runs linearly.

Die obere Grenze des erfaßbaren Druckbereiches ist in Abb. 5 durch den Druck P2 gegeben. Oberhalb dieses Druckes erfolgt ein rapides Ansteigen des Kollektorstromes sowohl für Kurve d als auch für Kurve c.The upper limit of the detectable pressure range is given in Fig. 5 by the pressure P2. Above this pressure there is a rapid increase in the collector current for both curve d and curve c.

Wie theoretische und experimentelle Untersuchungen gezeigt haben, ist diese Grenze durch die Röhrenlänge festgelegt. Die Röhrenlänge liegt nämlich bei dem Druck P2 in der Größenordnung der freien Weglänge für die im Raum vorhandenen Gasteilchen, so daß bei Erhöhung des Druckes in an sich bekannter Weise Mehrfachionisationen, und damit ein lawinenartiges Anwachsen des Kollektorstromes, zu verzeichnen sind. Erfindungsgemäß ist der lonenlaufraum derart ausgebildet, daß seine Maximallänge durch die obere Grenze des Totaldruckbereiches bestimmt ist. Als »Totaldruckbereich« ist der gesamte Druckbereich zu bezeichnen ' in dem ein Gasgemisch analysiert werden soll. Wie bekannt, wird der Totaldruck aus der Summe der Partialdruckwerte additiv zusammengesetzt, und man kann diese Beziehung zur Überprüfung einer Analyse ausnutzen. Wenn nämlich die bei den einzelnen Massenzahlen M ermittelten Partialdrücke in ihrer Summierung erheblich von dem durch Totaldruckmessung bestimmten Druckwert abweichen, muß man annehmen, daß in dem zu analysierenden Gasgemisch noch mindestens ein weiterer Stoff mit bisher nicht erfaßter Massenzahl vorhanden ist. Dadurch ist eine Ausdehnung des Druckmeßbereiches möglich, und man kann das Massentrennungssystem durch Wahl der Röhrenlänge den gestellten Anforderungen anpassen. Der maximal überhaupt mit einer derartigen Anordnung meßbare Druck ist allein durch die technische Realisierungsmöglichkeit des in seinen Längsabmessungen immer kleiner werdenden Röhrenaufbaus gegeben. Mit einer Anordnung vorbezeichneter Art wird es möglich, quantitative Gasanalysen in großen Druckbereichen durchzuführen, was bisher nahezu unmöglich erschien. Solche Probleme treten z. B. bei der Untersuchung und zeitlichen Verfolgung der Gaszusammensetzung während des Betriebes von Elektronenröhren auf, wo Druckänderungen zwischen etwa 10-3 und 10-7 Torr möglich sind. So wurde es mit dieser Anordnung erstmalig möglich, in quantitativ einwandfreier Weise den Abbrennprozeß von Oxydkathoden zu verfolgen.As theoretical and experimental studies have shown, this limit is determined by the length of the tube. The tube length at pressure P2 is in the order of magnitude of the free path for the gas particles present in the room, so that when the pressure is increased in a manner known per se, multiple ionizations and thus an avalanche-like increase in the collector current are recorded. According to the invention, the ion run space is designed in such a way that its maximum length is determined by the upper limit of the total pressure range. As "total pressure range" of the entire printing area is to be designated 'in which a gas mixture to be analyzed. As is known, the total pressure is put together additively from the sum of the partial pressure values, and this relationship can be used to check an analysis. If the partial pressures determined for the individual mass numbers M deviate considerably in their summation from the pressure value determined by total pressure measurement, one must assume that at least one further substance with a mass number not previously recorded is present in the gas mixture to be analyzed. This enables the pressure measuring range to be expanded, and the mass separation system can be adapted to the requirements by choosing the length of the tube. The maximum pressure that can be measured with such an arrangement is given solely by the technical realization of the tube structure, which is becoming ever smaller in its longitudinal dimensions. With an arrangement of the type described above, it is possible to carry out quantitative gas analyzes in large pressure ranges, which previously seemed almost impossible. Such problems occur e.g. B. in the investigation and time tracking of the gas composition during the operation of electron tubes, where pressure changes between about 10-3 and 10-7 Torr are possible. With this arrangement it was possible for the first time to follow the burning process of oxide cathodes in a quantitatively flawless manner.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß schnell verlaufende Druckänderungen erstmalig quantitativ erfaßt werden konnten, da der Ionenlaufraum kein eigenes Vakuumsystem benötigt, und das Massentrennungssystem eine lineare Charakteristik aufweist. Infolge der Abwesenheit des Nullniveaus kann die zeitliche Aufeinanderfolge von Meßpunkten beliebig dicht gewählt werden.Another major advantage is to be seen in the fact that it is fast For the first time, it was possible to quantify progressive pressure changes, since the Ion running space does not require its own vacuum system, and the mass separation system has a linear characteristic. As a result of the absence of the zero level can the chronological succession of measuring points can be chosen as densely as desired.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Abschirmung in Abb. 1, dargestellt durch das Gitter 7, bietet die Möglichkeit, in dem Massentrennungssystem mit Hilfe derselben Ionenquelle 5 gleichzeitig neben der Partialdruckmessung am Ionenkollektor 12 auch den Totaldruck durch Messung des am Gitter 7 abgeleiteten lonenstromes zu bestimmen. Das ist deshalb möglich, weil erstens zwischen der Ionenquelle 5 und dem Gitter 7 noch keine Selektion der Ionen erfolgt ist, und zweitens das erste auf das Gitter 7 folgende Gitter des lonenbeschleunigungssystems nicht mit einer Hochfrequenzspannung beaufschlagt wird. Die in Abb. 1 gezeigte räumliche Anordnung des Gitters 7 ist auch deshalb sehr vorteilhaft, weil damit Total- und Partialdruck in der gleichen Ionenströmung gemessen werden können.The electrical shielding proposed according to the invention in Fig. 1, represented by the grid 7, offers the possibility of determining the total pressure in the mass separation system with the aid of the same ion source 5 at the same time as measuring the partial pressure at the ion collector 12 by measuring the ion current derived at the grid 7. This is possible because, firstly, the ions have not yet been selected between the ion source 5 and the grid 7 , and secondly the first grid of the ion acceleration system following the grid 7 is not subjected to a high-frequency voltage. The spatial arrangement of the grid 7 shown in Fig. 1 is also very advantageous because it allows total and partial pressure to be measured in the same ion flow.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Mass separation system based on the transit time principle, in particular a high-frequency mass spectrometer of the Bennett type, characterized in that a mechanical (14) and / or electrical shield (7) is arranged between the ion source (5) and the ion flow space.

2. Mass separation system according to claim 1, characterized in that the maximum length of the ion run space is equal to the free path of the pressure value corresponding to the upper limit of the total pressure range. 3. Mass separation system according to spoke 1, characterized in that the mechanical shield (14) is formed as a partition made of the same material as the vacuum vessel (1) . 4. Mass separation system according to spoke 3, characterized in that the mechanical shield (14) is part of this vacuum vessel (1) . 5. Mass separation system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical shield (7) is designed at the same time as an electrode for measuring the total pressure. 6. Mass separation system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical shield is at a DC voltage potential. Considered publications: German Patent Nos. 938 323, 812 214; Ewald-Huntenberger, "Methods and Applications of Mass Spectrometry," Weinheim, 1953, p. 110; R. Seeliger, "Applied Atomic Physics", 1938, pp. 26 to 31 and 93 to 97.