DE1136510B - Massenspektrometer, in welchem die Ionen Spiralbahnen beschreiben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer für Gase bei niedrigen Drücken, in welchem ein Elektronenbündel in der Richtung eines statischen homogenen Magnetfeldes zwischen zwei zueinander parallele und elektrisch verbundene Platten geschossen wird, wobei im Räume zwischen diesen Platten ein elektrisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird senkrecht zum Magnetfeld zwischen zwei ebenfalls parallelen Platten, wobei zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes ringförmige Zwischenelektroden angeordnet sind und wobei nahe einer der Hochfrequenzelektroden eine Sammelelektrode angeordnet ist für solche Ionen, die unter dem Einfluß der verschiedenen Felder Bahnen von zunehmenden Radius beschreiben.

Bei einer der ältesten Ausführungen des oben angegebenen Massenspektrometer, welche auch unter dem Namen Omegatron bekannt ist, sind die Hochfrequenzplatten Kollektorelektroden. Zwischen beiden Platten ist auch noch ein schwaches statisches Feld vorhanden, das dazu dient, nichtresonante Ionen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes und des elektrischen Hochfrequenzfeldes abzulenken. Gegebenenfalls können beide Hochfrequenzplatten gesondert an negative Spannungen mit Bezug auf die ringförmigen Zwischenelektroden gelegt werden.

Bei einer anderen Ausführung ist eine der Feldverteilungselektroden gleichzeitig Kollektorelektrode für die resonanten Ionen.

Es ist auch eine Konstruktion bekannt, die keine Feldverteilungsringe aufweist, bei der aber die beiden Platten, zwischen denen das Elektronenbündel beschleunigt wird, zusammen mit zwei senkrecht darauf stehenden Platten den Hochfrequenzraum umschließen. Manchmal wird in diese vier Platten gemeinsam eine negative Spannung von weniger als 1 Volt angelegt mit Bezug auf die Hochfrequenzplatten (wegen Empfindlichkeitsschwankungen des Omegatrons). Zur Verhinderung einer allzustarken Raumladung kann statt der negativen Spannung eine Rechteckspannung gewählt werden.

Weiter ist noch eine Konstruktion bekannt; die entweder ringförmige Zwischenelektroden aufweist oder Seitenplatten, welche das Hochfrequenzfeld umschließen. Die Kollektorelektrode wird von einem Streifen parallel zu den Hochfrequenzplatten gebildet, der zwischen den ringförmigen Zwischenelektroden liegt oder durch einen Spalt in einer Seitenplatte eingeführt ist. Die Eelektroden, welche den Hochfrequenzraum umschließen, liegen auf schwach positivem Potential mit Bezug auf die Hochfrequenzplatten.

in welchem die Ionen Spiralbahnen

beschreiben

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter; Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Dr. Anton Martin Klopfer, Aachen,
ist als Erfinder genannt worden

Es ist auch noch beschrieben, die Hochfrequenzplatten U-förmig auszubilden.

Es hat sich herausgestellt, daß mit verschiedenen Typen von Omegatrons keine reproduzierbaren Ergebnisse erreicht werden können, besonders wenn man den Partialdruck von den Komponenten eines Gasgemisches bestimmen muß.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung zu

schaffen, welche reproduzierbare Messungen gestattet.

In einem Massenspektrometer für Gase niedrigen

Druckes, in welchem ein Elektronenbündel in der Richtung eines statischen homogenen Magnetfeldes zwischen zwei einander parallele und elektrisch verbundene Platten geschossen wird, wobei im Räume zwischen diesen Platten ein elektrisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird senkrecht zum Magnetfeld zwischen 2wei ebenfalls parallelen Platten, wobei zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes ringförmige Zwischenelektroden (Ringelektroden) angeordnet sind und wobei nahe einer der Hochfrequenzelektroden eine Sammelelektrode angeordnet ist für solche Ionen, welche unter dem Einfluß der verschiedenen Felder Bahnen mit zunehmendem Radius beschreiben, und wobei an die Ringelektroden, welche den Hochfrequenzraüm umschließen, ein schwach positives Potential gelegt wird mit Bezug auf die Hochfrequenzplatten, sind gemäß der Erfindung zwei zueinander parallele Platten angeordnet, parallel zur Richtung des Magnetfeldes und senkrecht zu den Ringelektroden

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dicht neben den äußeren Rändern dieser Ringe, wobei an diese Platte eine negative Spannung von einigen Malen 10 Volt mit Bezug auf die Hochfrequenzplatten gelegt wird, derart, daß der Ionenstrom nach der Kollektorelektrode maximal ist, sowohl für leichte als auch für schwere Ionen.

Die Erfindung baut weiter auf der Einsicht, daß ein positives elektrostatisches Feld zwischen den Hochfrequenzplatten und den ringförmigen Zwischenelektroden, gegebenenfalls den Platten, wodurch dasElektrodenbündel ein- und austritt, in Ebenen parallel zur Richtung des Magnetfeldes eine Bewegung der Ionen in der Richtung der Kollektorelektrode begünstigt, während dieses Feld in Ebenen senkrecht zum Magnetfeld eine Bewegung der Ionen zu den übrigen Elektroden verursacht. Letztgenanntes ungünstiges Feld wird durch die Anwesenheit der beiden Seitenplatten auf negativem Potential nicht nur vermieden, sondern darüber hinaus wird den Ionen eine Hilfe in ihrer Bewegung zur Kollektorelektrode gegeben, wodurch Störeffekte, wie Gasladungen und elektrische Aufladungen der Elektroden, die Ionenbahnen nahezu nicht mehr beeinflussen können.

Die Erfindung sei näher erläutert an Hand der Zeichnungen, in welchen die

Fig. 1 bis 3 drei zueinander senkrechte Schnitte durch ein Massenspektrometer gemäß der Erfindung darstellen, während die

Fig. 4 und 5 die Schaltung angeben und Fig. 6 den relativen Ionenstrom zum Kollektor in Abhängigkeit von der negativen Spannung an den Seitenplatten, und zwar für Ionen von zwei verschiedenen Massen darstellt.

In den Fig. 1 bis 3 ist der Kolben des Massenspektrometer mit 1 angedeutet. Im Boden des Kolbens sind eine Anzahl Stromdurchführungen angeordnet. Das Elektrodensystem ist mit Hilfe von Stützdrähten auf diesen Durchführungen aufgebaut. Der Boden hat einen rohrförmigen Ansatz 2 worin die Stromzuführung zur Kollektorelektrode verläuft. Der Kathodenglühdraht ist mit 3 bezeichnet. Dieser befindet sich innerhalb einer Schirmelektrode 4 mit Öffnung für den Elektronenstrahl. Eine Beschleunigungs- und Fokussierelektrode 5 ist für die Öffnung im Schirm 4 aufgestellt. Die beiden mit Öffnungen für den Elektronen- strahl versehenen Platten 6 sind mit einer der Hochfrequenzplatten 7 verbunden. Die andere Hochfrequenzplatte trägt die Nummer 8. Die Platte 7 weist eine schmale Öffnung 9 auf, wodurch die Kollektorelektrode 10 geführt ist. Der Stromzuführungsdraht des Kollektor 10 ist mit 11 angedeutet; dieser ist von einer Schirmkonstraktion 13 umgeben.

Die ringförmigen Zwischenelektroden 12 sind in der Zeichnung insgesamt vier, es können jedoch auch sechs oder acht angeordnet werden. Die Sammelelektrode 14 für die Elektronen befindet sich hinter einer der Platten 6. Die Seitenplatten, gemäß der Erfindung, tragen die Nummer 15.

Vom Kolben führt ein Rohr zum Gerät, von dessen Inhalt die Gaszusammensetzung bestimmt werden soll.

Die Richtung des Magnetfeldes ist in Fig. 1 mit einem Pfeil H angedeutet Die Figuren sind maßgetreu. Platte 8 hat Abmessungen von 25 bis 15 mm.

Die Elektroden bestehen aus Goldblech von 0,3 mm Stärke. Gegebenenfalls kann goldplattiertes Konstantan oder Platin oder eine Platinlegierung verwendet werden. Wenn das Massenspektrometer genügend gegen Oxydation geschützt werden kann, so ist auch Konstantan als Elektrodenmaterial zulässig.

In Fig. 4 ist 21 die Glühstrombatterie für die Kathode und 22 die Batterie für die Beschleunigungsspannung. Die Batterie 23 erteilt der Elektrode 5 eine positive Spannung von etwa 10 Volt in bezug auf Elektrode 6. Die Elektroden 4 und 5 können bei geeigneter Schaltung zur Stabilisierung des Elektronenstroms benutzt werden. Die Batterie 22 hat eine Spannung von etwa 90 Volt. Die Sammelelektrode 14 erhält mit Hilfe der Batterie 24 und des Spannungsverteilers 25 eine positive Spannung von höchstens etwa 40 Volt mit Bezug auf Elektrode 6.

In Fig. 5 wird die Hochfrequenzspannung an den Klemmen 26 zugeführt. Die maximale effektive Hochfrequenzspannung ist 1 Volt, und die Frequenz liegt zwischen 8 MHz und 30 kHz für die Massen von 1 bis 260. Das Magnetfeld hat eine Stärke von 5000 Gauß.

Die ringförmigen Zwischenelektroden 12 sind mit Hilfe der Widerstände 27 zu je 200 Ohm und Kondensatoren 28 zu je ΙμΈ hochfrequenzmäßig mit den Platten 7 und 8 gekoppelt. Mit Hilfe der Batterie 29 und des Spannungsteilers 30 erhalten die Ringe 12 eine positive Spannung von höchstens 1V in bezug auf die Platten 7 und 8.

Die Batterie 31 und der Spannungsteiler 32 erteilen den Platten 15 eine negative Spannung von höchstens 200 Volt in bezug auf die Elektroden 7 und 8.

Fig. 6 gibt an, wie der relative Ionenstrom i⁺/i⁺ _max zur Kollektorelektrode verläuft, bzw. für die Gase Stickstoff und Wasserstoff in Abhängigkeit von der negativen Spannung F₁₅ an den Elektroden 15 bei einem Druck von 4 · 10~⁷ mm Hg bei im übrigen optimalen Bedingungen für ein Massenspektrometer mit sechs ringförmigen Zwischenelektroden. Es ist leicht einzusehen, daß sowohl für die leichten als für die schweren Ionen eine ziemlich hohe negative Spannung an den Elektroden 15 erforderlich ist. Die Höhe dieser Spannung hängt selbstverständlich ab vom Abstand dieser Elektroden von den Zwischenelektroden, von den Abmessungen und der Zahl dieser Ringe.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   Massenspektrometer für Gase bei niedrigen Drücken, in welchem ein Elektronenbündel in der Richtung eines statischen homogenen Magnetfeldes (H) zwischen zwei einander parallele und elektrisch verbundene Platten (6) geschossen wird, wobei im Räume zwischen diesen Platten (6) ein elektrisches Hochfrequenzfeld senkrecht zum Magnetfeld zwischen zwei ebenfalls parallelen Platten (7,8) erzeugt wird, wobei zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes ringförmige Zwischenelektroden (12, Ringelektroden) angeordnet sind und wobei nahe an einer von den Hochfrequenzelektroden (7,8) eine Sammelelektrode (10) angeordnet ist für solche Ionen, welche unter dem Einfluß der verschiedenen Felder Bahnen mit zunehmendem Radius beschreiben, und wobei an die Ringelektroden (12), welche den Hochfrequenzraum umschließen, ein schwach positives Potential (30,29) gelegt wird in bezug auf die Hochfrequenzplatten (7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander parallele Platten (15) angeordnet sind parallel zur Richtung des Magnetfeldes (H)

   und senkrecht zu den Ringelektroden (12) dicht neben den äußeren Rändern dieser Ringe, wobei an diese Platten (15) eine negative Spannung (31, 32) von einigen Malen 10 Volt mit Bezug auf die Hochfrequenzplatten (7,8) gelegt wird, derart, daß der Ionenstrom zur Kollektorelektrode (10) sowohl für leichte als auch für schwere Ionen maximal ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 632111.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen