DE1177850B - Verfahren und Einrichtung zum Trennen elektrisch geladener Teilchen mit Hilfe von Massenspektrometern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KJ.: GOIn

Deutsche Kl.: 421-3/09

Nummer: 1177 850

Aktenzeichen: O 6196 IX b / 421

Anmeldetag: 2. Juni 1958

Auslegetag: 10. September 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen, insbesondere von Isotopen, unter Verwendung elektrischer Felder, wobei die Teilchen in Wechselfeldern eine Beschleunigung oder Verzögerung und in elektrostatischen Feldern eine Ablenkung erfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einwirkung von Wechselfeldern und elektrostatischen Feldern abwechselnd mehrmals nacheinander erfolgt.

Eine möglichst genaue Kernmassenbestimmung ist im Hinblick auf die Kernbindungsenergieberechnung von grundlegendem kernphysikalischem Interesse. Zur Zeit geben vier voneinander unabhängige Methoden die Möglichkeit einer Nukliden-Massenbestimmung. Es sind dies die Massenspektroskopie, die Methode der Kernreaktionen, Beta- und Gammastrahlenspektroskopie und die Mikrowellenspektroskopie.

Bei der Trennung elektrisch geladener Teilchen mit Hilfe von Massenspektrographen sind üblicherweise kombinierte statische und magnetische Felder notwendig. Magnetische Felder verursachen aber systematische Fehler, deren Eliminierung vorliegende Erfindung zum Ziele hat. Eine Massenauflösung von geladenen Teilchen in elektrischen Feldern ist nur in elektrischen Wechselfeldern möglich. Instrumente solcher Art sind hinlänglich bekannt, haben aber den großen Nachteil, praktisch kaum einsetzbar zu sein, weil in den üblichen Gitteranordnungen auch harmonische Vielfache das Auflösungs- und Trennvermögen _3U solcher Geräte empfindlich beeinträchtigen.

Es sind auch bereits Verfahren zur Trennung von Ionen bekanntgeworden, bei denen diese mittels eines Wechselfeldes gegen die Kraft eines elektrostatischen Feldes beschleunigt werden. Dabei führen Ionen mit einem zur Frequenz des Wechselfeldes geeignetem Wert des e/m-Verhältnisses harmonische Schwingungen in Phase mit dem Wechselfeld aus, wodurch sie von Ionen mit einem anderen e/m-Verhältnis getrennt werden. Auch die mehrmalige Ablenkung der Ionen durch statische Felder ist bekannt.

Bei einem anderen Verfahren werden die elektrisch geladenen Teilchen von einem an Wechselspannung liegenden Gitter angezogen, ein Teil der elektrischen Teilchen tritt durch das Gitter hindurch, wird von einer Platte abgelenkt und wieder dem Gitter zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß elektrisch geladene Teilchen mit einem bestimmten Verhältnis von Ladung zu Masse den Kollektor erreichen, wenn dieses Verhältnis in Einklang steht mit dem Wechselfeld am Gitter und dem überlagerten statischen Feld. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß elektrisch geladene Verfahren und Einrichtung zum Trennen
elektrisch geladener Teilchen mit Hilfe von
Massenspektrometer!!

Anmelder:

österreichische Studiengesellschaft für

Atomenergie Ges. m. b. H., Wien

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Meissner, Berlin 33, Herbertstr. 22, und Dipl.-Ing. H. Tischer, München 2,

Patentanwälte

Als Erfinder benannt:

Dr. Michael J. Higatsfeerger, Wien

Beanspruchte Priorität:

Österreich vom 6. Juni 1957 (A 3755/57)

Teilchen, die harmonische Vielfache der Frequenz oder des Verhältnisses Ladung zu Masse bzw. der kinetischen Energie der elektrischen Teilchen aufweisen, ebenfalls den Kollektor erreichen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich nunmehr die Aufgabe, eine einfache und eindeutige Anordnung zu schaffen, die hinsichtlich der Trennreinheit die üblichen Geräte überragt, wobei jedoch die Registrierungsempfindlichkeit den anderen Apparaten zumindestens gleichkommt. Durch die Wahl von kombiniertem elektrostatischem und elektrischem Wechselfeld und durch die Wahl fixer Geometrie und weiter durch die Bedingung, daß nur jene Partikeln für den weiteren Sortierungsprozeß zugelassen sind, die in den Modulatoren maximale Energie gewinnen, soll eine derartige Anordnung geschaffen werden.

Im folgenden wird gemäß der Erfindung ein Massenspektrometer vorgeschlagen, das frei von magnetischen Feldern ist und daher keine systematischen Fehler besitzt, die dem Magnetfeld zugeschrieben werden müßten. Durch das mehrmalige Durchlaufen von Wechselfeld und elektrostatischem Feld wird eine Auflösung in hohem Maße gegeben. Außerdem ergibt sich bei gleicher Empfindlichkeit eine wesentlich höhere Trennreinheit. In F i g. 1 ist das Prinzip der Anordnung skizziert. F i g. 2 gibt die Phasenbedingungen wieder. F i g. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel.

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Ein paralleler Ionenstrahl 1 tritt mit konstanter kinetischer Energie unter dem Einschußwinkel & in einen Plattenkondensator ein. Der Kondensator besteht aus drei parallelen Platten, wobei die äußeren Platten 2 positiv aufgeladen sind, während die mittlere Platte — tatsächlich bestehend aus zwei mehrere Millimeter voneinander entfernten Platten 3 und 4 — geerdet ist (bei 5). In einem solchen System wird ein Strahl 1 positiver Ionen in einer Parabel zur geerdeten Platte 3, 4 hin abgelenkt und trifft diese Platte an einer Stelle, die von der kinetischen Energie der Ionen, dem Einschußwinkel und dem positiven Ablenkpotential abhängt.

In den geerdeten Platten 3, 4 sind an den Auftreffstellen Schlitze 6 vorgesehen, durch die der Ionenstrahl in das andere Feldsystem übertreten kann, wo er spiegelbildlich abgelenkt wird. Zwischen den beiden geerdeten Platten 3, 4 im Raumbereich der Schlitze 6 befinden sich weitere Dreiplattensysteme (Modulatoren A/l, A/2, A/3), deren mittlere Platten 7 an einem geeigneten Hochfrequenzpotential liegen, während die beiden äußeren Platten 8, 9 jeweils geerdet sind. Ionen, die durch das Hochfrequenzfeld Energie gewinnen, werden nach der zweiten Ablenkung die geerdete Platte 3 bzw. 4 an einer anderen Stelle treffen als die Ionen, die keinen Energiegewinn aufzuweisen haben. Die folgenden Schlitze 6 werden so angeordnet, daß nur Ionen mit maximalem Energiegewinn passieren können. Nach F i g. 1 ergibt sich aus der Bewegungsgleichung

m χ = 0,

my = —e E, χ = 4 α sin ■ χ cos · χ

y = α sin² · \ —,

VA

V_n

35

(D nach dem «-ten Modulator

4 α sin · \ cos · ν

Vb (I +η β)

und

wobei Vb Beschleunigungsspannung, V_A Ablenkungsspannung, beide in Volt, χ den Einschußwinkel und α den Plattenabstand in Zentimetern bedeutet.

Wenn angenommen wird, daß eine Gruppe von Ionen in jedem Modulator den Bruchteil der Energie β Vb zusätzlich gewinnt, dann lauten die Koordinaten a sin- ■ \
J« = ■ _v ■ V,i(\ -τ-η β).

n = 0, 1,2,

Als Flugzeit zwischen den einzelnen Modulatoren findet man

2 «sin · χ (2 m Vn)^{1 2} · (1 ~ η β)^{1 2}

_ei/2 y_A

mit m, e, Masse und Ladung im elektrostatischen Maßsystem.

Aus F i g. 1 ersieht man auch, daß bei Beschränkung auf drei Modulatoren auf den Strecken .Y₁ und x₂ gleiche Flugzeiten erreicht werden, wenn man das Ablenkpotential oder die Distanz a an einer Ablenkplatte gemäß Gleichung(3) mit dem Faktor (1 + nß)^v% korrigiert. Natürlich müssen die dadurch neu bedingten x-Koordinaten und damit die verschiedene Geometrie der Schlitzanordnung berücksichtigt werden. Für die Strecke x₃ ist nur die Geometrie des Schlitzes beim Kollektor C wesentlich, nicht jedoch die Flugzeit.

Phasenbedingung im Modulator

In F i g. 2 ist das Dreiplattensystem dargestellt; wie man sieht, liegt die mittlere Platte 7 an Wechselspannung, wogegen die Platten 8 und 9 jeweils geerdet sind. Der Abstand der Platte 7 von der Platte 8 beträgt d, von der Platte 9 ist der Abstand d'.

Für dieses System gelten die Bedingungen:

£rf = £_osin (\vt + Φ),
Ea· = E₀ sin («7 + Φ),
daraus ergibt sich

F_d = eE₀ sin (ir/ + Φ),
Fa/ = e£_osin(it7 + Φ).

Man sieht, daß der Energiegewinn Δ W zwischen den Modulatorplatten ein prinzipielles Maximum besitzt, denn es ist

AW■ = z] "y" ) = vA (m v) = ν at

und weiter

mit der Lösung

AW

= ν if e £„ sin ■ (m7 + Φ)άί — f e E₀ sin · (u7 + Φ)άί

AW = ----- ° [cos · Φ — 2 cos · (h7 + Φ) cos · (2 «7 + Φ)].

Man sieht sofort, daß Δ W ein Maximum für Kt + Φ

= zi und Φ ~ ^π besitzt. Damit ergibt sich aber aus

ω d 3ji . _r „ 3 ν .....

Hi= _; ~ eine Frequenz von/= ; fur Vb

= 1000 Volt und d = 5 mm erhält man für die Masse M = 1 8,2 MHz und für M = 300 475 kHz.

Auflösungsvermögen

Das Auflösungsvermögen des Instrumentes ist durch ■j _M = -.7 gegeben; η = — ,, und Af ist der Bruchteil einer Schwingung zwischen zwei Maxima bei halber Höhe. Af hängt vorwiegend von der Schlitzbreite ab. Das Auflösungsvermögen sollte für drei Modulatoren durchaus mit dem Auflösungsvermögen an sich bekannter Instrumente vergleichbar sein.

¹S₀ Wesentliche Vorteile des vorliegenden Instrumentes gegenüber den bekannten Geräten können in der Vermeidung des Magnetfeldes erblickt werden bzw. in der Möglichkeit, die Abstände der folgenden Modulatorplatten untereinander so einstellen zu können, daß der zusätzliche Energiegewinn und die dadurch bedingten verschiedenen Flugzeiten zwischen den Modulatorplatten laufend Berücksichtigung finden. Falls Beschleunigungsspannung und Ablenkspannung dersel-

ben Hochspannungsquelle entnommen werden, wird das Auflösungsvermögen durch langsame Spannungsschwankungen nicht beeinträchtigt. Wollte man mit mehr als drei Modulatoren arbeiten, so wäre unter anderem eine Dazwischenschaltung von Verzögerungsgliedern zwischen den einzelnen Modulatoren zu erwägen.

In F i g. 3 ist die Erfindung bei Verwendung eines gekrümmten Kondensators, z. B. eines Zylinderkondensators, dargestellt. Mit Ml, Ml, M3 sind auch υ hier wiederum die Modulatoren bezeichnet. Es sind hier drei Zylinderkondensatoren hintereinander angeordnet. Die Platten 11 besitzen positives Potential, die Platten 12 negatives Potential. Zur Auflösung können entweder diese Spannungen an den einander folgenden Zylinderkondensatoren verschieden sein, und/oder es variieren die Krümmungsradien 13 bis 17. Nach den obenstehenden Erklärungen ist der Vorgang bei der Einrichtung nach F i g. 3 von selbst verständlich. In vorteilhafter Weise liegt hier die Bahn der aufzulösenden Teilchen im wesentlichen parallel zu den gekrümmten Platten, was eine leichte Einstellung ermöglicht.

Das beschriebene Verfahren und die Einrichtungen dazu eignen sich nicht nur für eine Präzisionsmassenbestimmung, sondern gleichzeitig auch zur Bestimmung der relativen Häufigkeit der zu untersuchenden Teilchen, insbesondere Isotopen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen, insbesondere von Isotopen, unter Verwendung elektrischer Felder, wobei die Teilchen in Wechselfeldern eine Beschleunigung oder Verzögerung und in elektrostatischen Feldern eine Ablenkung erfahren, dadurchgekennzeichn e t, daß die Einwirkung von Wechselfeldern und elektrostatischen Feldern abwechselnd mehrmals nacheinander erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen hochfrequenten elektrischen Wechselfeldern ausgesetzt und dann in krummer Bahn durch das elektrostatische Feld geführt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch geladenen Teilchen zur Beeinflussung durch die Wechselfelder durch geschlitzte Plattensysteme (Modulatoren) hindurchgeführt werden, wobei eine Beschleunigung bzw. Verzögerung dieser Teilchen erfolgt, so daß dann im nachgeschalteten elektrostatischen Feld je nach der kinetischen Energie dieser Teilchen eine verschieden starke Ablenkung eintritt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß homogene elektrostatische Felder Anwendung finden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß inhomogene elektrostatische Felder Anwendung finden.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Plattenkondensatoren nebeneinander vorgesehen sind, wobei die beiden einander benachbarten Platten dieser Kondensatoren gleiches Potential, z. B. Erdpotential, besitzen, und daß in dem Raum zwischen diesen beiden Platten die Modulatoren vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatoren mit Bezug zur Feldrichtung der Plattenkondensatoren schräg liegen, so daß die durch die Modulatoren hindurchgehenden Teilchen unter einem Winkel in das jeweilige elektrostatische Feld eintreten.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander benachbarten Platten der Kondensatoren an den Durchtrittsstellen für die Teilchen geschlitzt sind, wobei durch die Breite und die Lage dieser Schlitze zueinander die Auflösung gegeben ist.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektrostatischen Feldes ein gekrümmter Kondensator Verwendung findet und die Modulatoren zwischen den beiden Platten dieses Kondensators vorgesehen sind.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Modulatoren verwendet werden, deren Mittelplatte von den beiden Außenplatten verschieden weit entfernt liegt, so daß beim Durchgang der Teilchen der Energiezuwachs oder Energieverlust die jeweils günstigste Flugzeit bei maximalem Energiegewinn oder Energieverlust berücksichtigt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 882 769, 944 900; USA.-Patentschrift Nr. 2 615 135.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 660/335 9. 64

Bundesdruckerei Berlin