DE1169698B - Massenspektrometer fuer Gase unter niedrigem Druck - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G Ol η

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 421-3/09

N 18342 IXb/421
14. Mai 1960
6. Mai 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer für Gase unter niedrigem Druck mit einem homogenen statischen Magnetfeld und einem senkrecht dazu in den Ionentrennraum wirkenden Hochfrequenzfeld und einer Ionenerzeugung im Trennraum durch ein Elektronenbündel mit geringem Querschnitt in Richtung des Magnetfeldes sowie einer bei diesen »Omega-Massenspektrometern« bereits bekannten Anordnung von plattenförmigen Hochfrequenz-Zwischenelektroden, parallel zur Richtung des Magnetfeldes zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes.

Massenspektrometer vom vorstehend erwähnten Typ, die auch ohne Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes (d. h. ein HF-Feld, das an allen Stellen die gleiche Intensität aufweist) bekannt sind und als Omegatron bezeichnet werden, können bei sehr niedrigen Drücken die Zusammensetzung eines Gases bestimmen, weil nur Ionen mit einem bestimmten Verhältnis von Masse zur Ladung bei einer bestimmten Frequenz spiralförmig zunehmende Bahnen beschreiben. Durch Änderung der Frequenz des Hochfrequenzfeldes wird das Massenspektrum abgetastet und aus dem aufgefangenen Ionenstrom als Funktion der Frequenz die Intensität der Massen ermittelt.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß manche Type von Omegatrons eine geringere Empfindlichkeit oder ein geringeres Auflösungsvermögen hat als auf Grund der Theorie zu erwarten wäre. Einer der Gründe hierfür ist, daß im rechteckigen Ionisationsraum infolge der unterschiedlichen Spannungen an den diesen Raum umgebenden Elektroden Felder erzeugt werden, die zur Folge haben, daß die Resonanzfrequenz für Ionen einer bestimmten Art nicht im ganzen Raum die gleiche ist.

Die Erfindung bezweckt, ein Massenspektrometer zu schaffen, das die vorstehend erwähnten Nachteile nicht oder wenigstens in geringerem Maße aufweist.

Bei einem Massenspektrometer für Gase unter niedrigem Druck mit einem homogenen statischen Magnetfeld und einem senkrecht dazu in den Ionentrennraum wirkenden Hochfrequenzfeld und einer Ionenerzeugung im Trennraum durch ein Elektronenbündel mit geringem Querschnitt in Richtung des Magnetfeldes sowie einer bei diesen »Omega-Massen- 4$ spektrometern« bereits bekannten Anordnung von plattenförmigen Hochfrequenz-Zwischenelektroden, parallel zur Richtung des Magnetfeldes zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes, sind gemäß der Erfindung diese Zwischenelektroden-Pakete aus ebenen Platten zum Ionentrennraum hin durch drei gedachte Rotationsspulen begrenzt, die durch Rota-Massenspektrometer für Gase unter
niedrigem Druck

Anmelder:

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

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:

Jan Peper, Emmasingel, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 19. Mai 1959 (239 331)

tion eines konjugierten Hyperbelsystems um die eine der beiden Achsen entstehen, die gleichzeitig gedachte Mittelachse in Richtung des Magnetfeldes ist, wobei die Zwischenelektroden, deren Begrenzungstinien zum Ionentrennraum durch die beiden gedachten Außenschalen der Rotationsflächen bestimmt werden, eine geringere positive Spannung gegenüber den Elektroden aufweisen, deren Begrenzungen zum Trennraum durch die gedachte mittlere Schale der Rotationsflächen bestimmt werden. Vorzugsweise schließen die Asymptoten der Hyperbeln, von der die Rotationsfläche abgeleitet ist, einen Winkel mit der Rotationsachse ein, dessen Tangens gleich Ϋ2 ist.

Infolge der Elektrodengestaltung nach der Erfindung ist die radial gerichtete Feldstärke, die durch die geringe Spannungsdifferenz zwischen den mittleren Elektroden und den Außenelektroden erzeugt wird, proportional dem Abstand von der Achse. Infolgedessen ist im ganzen Raum die Resonanzfrequenz für sämtliche Ionen konstant.

Die Spannungsdifferenz zwischen den Innen- und den Außenelektroden ist erforderlich, um zu verhüten, daß die Resonanzionen zu sehr in axialer Richtung abtreiben und dann nicht mehr zum gewünschten Ionenstrom beitragen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. 1 die konjugierte Hyperbeln darstellt, aus der sich die Rotationsfläche ergibt,

Fi g. 2 die Elektroden darstellt und

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Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit einem teilweise im Schnitt dargestellten Omegatron nach der Erfindung zeigt.

F i g. 1 zeigt ein Achsensystem mit waagerechter Achse ζ und senkrechter Achse r, in dem zwischen zwei AsymptotenA₁ und A.₂ die zwei Zweigel, II bzw. Ill, IV von zwei konjugierten Hyperbeln gezeichnet sind, die Koordinate ζ gibt die axiale Koordinate im Elektrodensystem und die Koordinate r den Abstand von der Achse an. Die Rotationsfläche, die die Begrenzungslinien der Elektroden bestimmt, ergibt sich jetzt durch Drehung der Zweige der Hyperbeln um die z-Achse. Hierbei ergeben sich drei Schalen, und zwar eine mittlere Schale, deren Axialschnitt durch die Zweige I und II gegeben wird, und zwei Außenschalen, deren Axialschnitte durch die Zweige III und IV gegeben werden. Der Winkel α, den die Asymptoten A _x und A₂ mit der z-Achse einschließen, ist derartig, daß tg α = Yi. Es ist nachweisbar, daß bei dieser Gestaltung die Bedingung, daß die radiale Feldstärke proportional dem Abstand von der z-Achse sei, genau erfüllt ist.

In Fig. 2 sind die den Ionisationsraum umgrenzenden Elektroden schaubildlich dargestellt. Die Elektroden 1 sind durch Schneidung parallel zur z-Achse verlaufender Ebenen und der dem Zweig IV entsprechenden Außenschale und die Elektroden 3 durch Schneidung dieser Ebenen und der dem Zweig II entsprechenden Schale erhalten. Übersichtlichkeitshalber ist nur ein Teil der Elektroden 1 unterbrochen dargestellt. Die Elektroden 2 sind durch Schneidung der den Zweigen I und II entsprechenden Schale und der parallel zur z-Achse verlaufenden Ebenen erhalten. Die zur gleichen Ebene gehörenden Elektroden 1 und 3 sind, wie in der Zeichnung angegeben ist, elektrisch miteinander verbunden. Auch die in zwei Teile unterteilten Elektroden 2 sind elektrisch miteinander verbunden.

In Fig. 3 sind im Massenspektrometer die Elektroden 1, 2 und 3 teilweise in Ansicht und die übrigen Elektroden im Schnitt dargestellt. Die übrigen Elektroden bestehen aus einer Glühkathode 4, die innerhalb einer Schirmelektrode 5 angeordnet ist. Um den Elektronenstrom konstant zu halten, kann eine Regelelektrode 6 Verwendung finden. Zwei Abschirmelektroden 7 und 8 sind ebenso wie die Elektroden 5 und 6 und die mittleren Elektroden 1 und 3 mit einer Öffnung zum Hindurchlassen eines Elektronenbündels versehen. Die Auffangelektrode für das Elektronenbündel ist mit 9 bezeichnet. Die Elektrode 5 und die Kathode 4 weisen in bezug auf die geerdeten Elektroden 7 und 8 eine negative Spannung von etwa 100 V auf, während die Spannung an den Elektroden 6 etwa 10 V positiv in bezug auf die an der Elektrode 7 ist. Die Elektroden 1 und 3 einerseits und die Elektroden 2 andererseits sind mit einem aus mehreren Widerständen bestehenden Potentiometer bzw. 11 verbunden. Am Potentiometer 10 liegt eine Spannung von 0,3 bis 0,4 V positiv gegenüber Erde, während das Potentiometer 11 Erdpotential aufweist. Über die beiden Potentiometer 10 und 11 wird den Elektroden eine Hochfrequenzspannung mit einem Effektivwert von etwa 1V zwischen den Klemmen 12 zugeführt. Übersichtlichkeitshalber sind nicht alle Verbindungen mit den Elektroden dargestellt. Die Ionen, die unter der Einwirkung der Felder Bahnen mit zunehmendem Radius beschreiben, werden auf den Elektroden 2 aufgefangen und dieser Ionenstrom wird mit einem empfindlichen Gleichstromverstärker gemessen, der zwischen das Potentiometer 11 und Erde geschaltet ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Massenspektrometer für Gase unter niedrigem Druck mit einem homogenen statischen Magnetfeld und einem senkrecht dazu in den Ionentrennraum wirkenden Hochfrequenzfeld und einer Ionenerzeugung im Trennraum durch ein Elektronenbündel mit geringem Querschnitt in Richtung des Magnetfeldes sowie einer bei diesen »Omega-Massenspektrometern« bereits bekannten Anordnung von plattenförmigen Hochfrequenz-Zwischenelektroden, parallel zur Richtung des Magnetfeldes zur Homogenisierung des Hochfrequenzfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zwischenelektrodenpakete aus ebenen Platten zum Ionentrennraum hin durch drei gedachte Rotationsschalen begrenzt sind, die durch Rotation eines konjugierten Hyperbelsystems um die eine der beiden Achsen entstehen, die gleichzeitig gedachte Mittelachse in Richtung des Magnetfeldes ist, wobei die Zwischenelektroden (1 und 3), deren Begrenzungslinien zum Ionentrennraum durch die beiden gedachten Außenschalen der Rotationsflächen bestimmt werden, eine geringere positive Spannung gegenüber den Elektroden (2) aufweisen, deren Begrenzungen zum Trennraum durch die gedachte mittlere Schale der Rotationsflächen bestimmt werden.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Asymptoten der Hyperbeln, welche die Axialschnitte der Rotationsflächen bilden, mit der Rotationsachse einen Winkel einschließen, dessen Tangens gleich Yl ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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