DE1189291B - Massenspektrometer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

üüln

Deutsche Kl.: 421-3/09

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

M32504IXV421
29. November 1956
18. März 1965

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer Regelschaltung, von der die Abtast- oder Führungsgeschwindigkeit des Spektrums an dem auflösenden Spalt vorbei derart beeinflußbar ist, daß die Zeitspanne, in der Ionen verschiedener Massenzahl 5 den Detektor erreichen, im wesentlichen konstant ist.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, mit Hilfe einer solchen Regelschaltung das Magnetfeld bzw. den durch die Spulen fließenden Magnetstrom oder die Beschleunigungsspannung der Ionen nach einer Exponentialfunktion der Zeit zu ändern, so daß die Aufzeichnung der verschiedenen Massenlinien in gleichen Zeitspannen erfolgt. Eine solche Regelschaltung zum Aufnehmen von Massenspektrogrammen enthält elektronische Steuermittel für einen Strom, von diesem Strom durchflossen Widerstände, von denen Spannungen abgegriffen werden und einen von einer dieser Spannungen über einen Widerstand aufgeladenen Kondensator; die elektronischen Steuermittel werden dabei von der Differenz der jeweiligen Kondensatorspannung und einer der abgegriffenen Spannungen so beeinflußt, daß diese Spannungen beständig gleich sind. Die elektronische Regelschaltung kann vorzugsweise elektrische Mittel zur Bildung einer dem Zeitintegral der zu regelnden elektrischen Größe proportionalen Spannungsgröße und elektronische Steuermittel zur Regelung der elektrischen Größe enthalten, derart, daß die jeweilige Abweichung der elektrischen Größe von einem angenommenen Anfangswert ständig der besagten Spannungsgröße proportional ist.

Andererseits ist es bekannt, daß das Auflösungsvermögen eines Massenspektrometers von der Größe des Ablenkwinkels, der bei der Strahlführung über den auflösenden Spalt durchlaufen wird, unabhängig ist und nur von der Weite des Austrittsspaltes der Ionenquelle und des auflösenden Endspaltes, dem Krümmungsradius des Ionenstrahls im ablenkenden Feld und dessen Energiehomogenität abhängt.

Daher ist es ein Ziel der Erfindung, das Auflösungsvermögen bei Verwendung der vorgeschlagenen Regeleinrichtung dadurch zu verbessern, daß die Breite des auflösenden Endspaltes den Ionenstrahlen unterschiedlicher Massenzahl angepaßt wird.

Da es ziemlich mühselig und aufwendig ist, bei einer Änderung des ablenkenden Magnetfeldes bzw. des Magnetstromes oder der Beschleunigungsspannung der Ionen die wirksame Breite des auflösenden Endspaltes mit der Hand nachzuregulieren, ist gemäß der Erfindung der Regelschaltung der vorgeschlagenen Einrichtung eine weitere Regelschaltung zugeordnet, von der die wirksame Breite des auflösenden Massenspektrometer

Anmelder:

Associated Electrical Industries (Manchester)

Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Robert Derek Craig, Londonderry, Nordirland;
James lan Alexander Thompson,
Altrincham, Ceshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 1. Dezember 1955 (34 432)

Endspaltes umgekehrt proportional mit der Massenzahl der zu empfangenden Ionen verändert wird.

Erfindungsgemäß ist das Massenspektrometer, bei dem die Breite des Endspaltes veränderbar ist, mit einer Regelschaltung, von der die Abtastgeschwindigkeit des Spektrums an dem auflösenden Endspalt derart beeinflußbar ist, daß die Zeitspanne, in der Ionen mit verschiedener Massenzahl den Detektor erreichen, im wesentlichen konstant ist, gekennzeichnet durch eine weitere Regelschaltung, durch die die wirksame Breite des auflösenden Endspaltes umgekehrt proportional mit der Massenzahl der zu empfangenden Ionen veränderbar ist.

Vorzugsweise wird die wirksame Spaltbreite von einer elektrostatischen Linse gesteuert, die zwischen dem auflösenden Endspalt und einem Empfangsgerät der Ionen liegt. Die elektrostatische Linse kann von einem elektronischen Verstärker gesteuert werden, der mit einer Spannung versorgt wird, die proportional dem das magnetische Feld hervorrufenden Strom ist, das den Ionenstrahl ablenkt.

Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes seien die Figuren näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die in einem Massenspektrometer in der Nachbarschaft des Endspaltes auftreffenden Strahlen von Ionen unterschiedlicher Massenzahl;

F i g. 2 zeigt eine mit der vorgeschlagenen Einrichtung erhaltene Registrierkurve, deren Amplitude konstant gemacht ist;

Fig. 3 und 4 zeigen Kurven, die aus der Kurve der Fig. 2 abgeleitet sind;

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3 4

F i g. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Regelschal- zahl und der Spannung am Widerstand R erhalten

tung gemäß der Erfindung; werden. Außerdem kann die Beziehung zwischen der

Fig. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der am Spannung, die dem System des elektrische veränder-Widerstand R der F i g. 5 liegenden Spannung und baren Spaltes zugeführt wird, und der nutzbaren

derjenigen Spannung, die einem Spalt zugeführt wird, 5 Breite des Spaltes experimentell festgestellt werden.

dessen wirksame Breite veränderbar ist; Da die gewünschte Spaltbreite ja aus der Theorie für

F i g. 7 zeigt die Regelschaltung der F i g. 5 in Ein- jede Massenzahl bekannt ist, kann eine Beziehung

zelheiten; zwischen der Massenzahl und der Spannung auf-

Fig. 8 und 9 sind Diagramme, die die Arbeits- gestellt werden, die dem System des elektrisch verweise einzelner Teile der Regelschaltung nach Fig. 7 io änderbaren Spaltes zugeführt wird. Schließlich gibt veranschaulichen; es, hieraus hergeleitet, eine erwünschte Beziehung

F i g. 10, A zeigt ein sehr langsam und die F i g. 10, zwischen der Spannung, die dem System des elek-

B ein in zulässiger Weise sehr schnell über den auf- trisch veränderbaren Spaltes zugeführt wird, und der

lösenden Endspalt geführtes Spektrum; an dem Widerstand R hervorgerufenen Spannung.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform des Endspal- 15 Diese Beziehung kann die in Fig. 6 gezeigte Form

tes, dessen Breite gemäß der Erfindung veränderbar annehmen. Der Zweck der Schaltung, die den Spalt

ist. steuert, ist es, die gewünschte Beziehung zwischen

Fig. 1 zeigt in der Nähe eines auflösenden Spal- den Spannungen F₀ und V₁ herzustellen,
tes 5 auftreffende Strahlen mit Ionen unterschied- Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht licher Massenzahl. 20 nur auf Ausführungsformen mit magnetischer AbWenn durch Änderung des den Ablenkspulen zu- tastung beschränkt ist, sondern leicht und in ähngeführten Stroms oder der Beschleunigungsspannung licher Weise auch auf Ausführungsformen mit elekder Ionen die in dieser Weise verteilt auftreffenden trostatischer Abtastung, bei der man die Beschleu-Strahlen mit konstanter Geschwindigkeit quer über nigungsspannung für die Ionen vorteilhafter als das den sich vor einem Empfangsgerät D befindenden 25 magnetische Feld verändert, übertragen werden Spalt S geführt werden, ergibt sich die Kurve der könnte.

Fig. 2, falls die Amplitude auf einen konstanten Eine Anordnung, mit deren Hilfe die für die Spalt-Wert gebracht ist. Bei dieser Art Führung der Ionen- steuerung erforderliche Spannung erhalten wird, ist strahlen über den auflösenden Spalt S ergibt sich der in der F i g. 7 gezeigt. F₁ ist eine Verstärkerröhre mit Nachteil, daß sich das Auflösungsvermögen für die 3a veränderlicher negativer Rückkopplung. Die Ein-Strahlen, deren Ionen eine geringe Masse besitzen, gangsspannung nimmt man am Widerstand R im von dem Auflösungsvermögen für die Strahlen unter- Stromkreis, der die Magnete speist ab. Wenn die scheidet, deren Ionen eine große Masse aufweisen. Spannung niedrig ist, ist die Anodenspannung der

Mit der noch zu beschreibenden Regelschaltung Röhre F₁ so groß, daß die Dioden V₂ und F₃ nicht gemäß der Erfindung wird die wirksame Breite des 35 leiten. F₁ wird durch die Widerstandskette zwischen auflösenden Endspaltes in Abhängigkeit von den ihrer Anode und ihrem Gitter etwas negativ rück-Massenzahlen der in den Spalt 5 eintretenden Ionen- gekoppelt. Wenn die Eingangsspannung ansteigt, strahlen beeinflußt, so daß eine Kurve entsteht, die nimmt die Anodenspannung ab und macht mögin Fig. 3 dargestellt ist. In dieser ist das Verhältnis licherweise die Diode F₃ leitend. Wenn dies geder Spitzenbreite zur Talbreite für alle in Frage korn- 40 schieht, nimmt die negative Rückkopplung zu, und menden Massenzahlen konstant und vorzugsweise der Verstärkungsgrad nimmt ab. Mit weiterem Angleich eins. Wenn außerdem die Zeiten, in denen stieg der Eingangsspannung fällt die Anodenspan-Ionen unterschiedlicher Massenzahl das Empfangs- nung langsamer als vorher, bis die Diode F₂ leitet. gerät erreichen, im wesentlichen gleichgemacht wer- Die negative Rückkopplung hat sich weiter verstärkt, den, ergibt sich das in Fig. 4 dargestellte Spektrum, 45 wodurch der Verstärkungsgrad sich noch mehr verin dem die Gipfelform bei jeder Massenzahl etwa das mindert. Eine Auftragung der Eingangsspannung gleiche Bild für den Verstärker und die Registrier- gegen die Anodenspannung von F₁ nimmt die in vorrichtung hat. F i g. 8 gezeigte Form an. F₄ ist ein Spannungsstabi-

Die Fi g. 5, α zeigt schematisch eine Ausführungs- lisator mit Neon, der einen Spannungsabfall bewirkt, form eines Massenspektrometers, dem ein Registrier- 50 um die Anodenspannung von F₁ auf einen passenden gerät und ein magnetisches Ablenksystem zugeordnet Wert zu erniedrigen, die dem Gitter der Röhre F₅ zusind. Ein Spalt, dessen Breite wirksam veränderbar geführt wird. F₅ arbeitet auch als linearer Verstärker. ist, wird elektronisch von einer Regelschaltung be- Wenn die Spannung am Gitter der Röhre F₅ ein einflußt, die in Blockdarstellung in Fig. 5, & gezeigt Minimum ist, ist die Ausgangsspannung ander Anode ist. 55 der Röhre F₅ ein Maximum und umgekehrt. Die

Wie der Fig. 5, b zu entnehmen ist, wird eine Kurve, gebildet aus der Eingangsspannung, die vom

Spannung F₀ einer die wirksame Spaltbreite steuern- Widerstand R abgenommen wird, und aus der Aus-

den Schaltung dem System des elektrisch veränder- gangsspannung an der Anode der Röhre F₅, ist in

baren, auflösenden Spaltes zugeführt und legt dabei F i g. 9 dargestellt. Wie man sieht, ist sie der ge-

die wirksame Breite des auflösenden Spaltes fest. Der 60 wünschten Kurve der F i g. 6 angenähert. Die Nei-

Spannungsabfall an einem Widerstands, der mit gungen und Lagen der drei geraden Linien in Fig. 9

den magnetischen Ablenkspulen der Ablenkvorrich- können durch die Potentiometer A, B, C, D, E und F

tung für die Ionenstrahlen in Reihe geschaltet ist, im Rückkopplungskreis der Röhre F₁ eingestellt wer-

stellt eine Eingangsspannung V₁ für die den Spalt den. In der Praxis ist es nicht möglich gewesen, eine

steuernde Schaltung dar. 65 starke Neigungsänderung der Kurve festzustellen,

Wenn die Ionenstrahlen in Form eines Spektrums denn die Kurve deckt sich tatsächlich fast mit der

über den auflösenden Spalt geführt werden, kann glatten Kurve in Fi g. 6. Dennoch kann man sich die

eine experimentielle Beziehung zwischen der Massen- Kurve in drei Teile zerlegt denken, von denen jeder

Teil durch seine zwei ihm zugeordneten Potentiometer einstellbar ist.

Selbstverständlich können auch mehr Dioden im Rückkopplungskreis verwendet werden, um, wenn erforderlich, eine noch bessere Annäherung an die gewünschte Kurve zu erhalten.

Der Stromkreis, der die Abtastung magnetisch steuert, kann so angeordnet werden, daß er das Magnetfeld in bestimmten Zeitabständen um verschiedene Beträge verändert. Diese Beträge brauchen nicht mit der Zeit linear zu gehen, jedoch können sie im Experiment so eingestellt werden, daß die Bedingungen der Fig. 4 so gut wie möglich bei der Verwendung eines Registriergeräts mit der Zeitkonstante Null erfüllt werden. Wenn die Abtastgeschwindigkeit zunimmt, wird die Zeitkonstante eines tatsächlichen Registriergeräts so groß sein, daß die wirkliche Gipfelgestalt nicht aufgezeichnet wird. Dies ist so lange nicht von Bedeutung, wie die wahre Höhe des Maximums und der Nullage wiedergegeben werden, d. h. so lange, wie eine kurze Niveaulinie im Gipfelmaximum und im Minimum zwischen den Gipfeln registriert wird. Dies ist in Fig. 10 angegeben, in der Kurve A das tatsächliche Spektrum, das man bei langsamem Abtasten erhält, und Kurve B das noch zulässige Spektrum bei schnellem Abtasten darstellt. Unter diesen Umständen wird die größte zulässige Abtastgeschwindigkeit für irgendeinen Abschnitt des Massenspektrums erhalten.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt der einstellbare auflösende Spalt auch eine Platte mit einer Spaltöffnung zusammen mit einer elektrostatischen Linse, die die Querschnittsweite des für den Ionenstrahldurchtritt wirksamen, auflösenden Spaltes steuert.

In der besonderen Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 11 besteht der auflösende Spalt aus einer Platte 10 mit einer Spaltöffnung 11 und einer elektrostatischen Linse, die sich aus mit einer Spaltöffnung versehenen, geerdeten Platten 12 und 14 zusammen mit der das Feld bildenden, mit einem Spalt versehenen Platte 13 aufbaut. Die Platte 13 wird mit einer einstellbaren positiven Spannungsquelle verbunden und von den Platten 12 und 14 isoliert. Die Brennweite der elektrostatischen Linse kann mit Hilfe der stetigen positiven Spannung geändert werden. Hierdurch ändert sich die Querschnittsweite des für den Ionenstrahldurchtritt wirksamen Spaltes.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Massenspektrometer, bei dem die Breite des Endspaltes veränderbar ist, mit einer Regelschaltung, von der die Abtastgeschwindigkeit des Spektrums an dem auflösenden Endspalt derart beeinflußbar ist, daß die Zeitspanne, in der Ionen mit verschiedener Massenzahl den Detektor erreichen, im wesentlichen konstant ist, gekennzeichnet durch eine weitere Regelschaltung, durch die die wirksame Breite des auflösenden Endspaltes umgekehrt proportional mit der Massenzahl der zu empfangenden Ionen veränderbar ist.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Breite des auflösenden Spaltes elektrisch veränderbar ist.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatische Linse zwischen dem auflösenden Spalt und dem Aufnahmegerät untergebracht ist, mit der die effektive Breite des auflösenden Spaltes veränderbar ist.

4. Massenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Linse von einem elektronischen Verstärker steuerbar ist, dem eine Spannung proportional zu dem Strom zugeführt wird, der das den Ionenstrahl steuernde Magnetfeld erzeugt.

5. Massenspektrometer nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwindigkeit des Spektrums quer zum auflösenden Spalt durch Änderung des Magnetfeldes veränderbar ist, das den Ionenstrahl zerlegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 834023;

Ewald Hinterberger, »Methoden und Anwendungen der Massenspektrometrie«, Verlag Chemie, Weinheim, 1953, S. 137 bis 140.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1010 760.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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