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Stabilisierungsschaltung für Hochfrequenzmassenspektrometerröhren
Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungsschaltung für Hochfrequenzmassenspektrometerröhren
zum Ausgleich der durch Schwankungen der Betriebsspannungen hervorgerufenen Änderungen
der Meßgrößen.
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Bei den bekannten Hochfrequenzmassenspektrometern ist es sehr nachteilig,
daß schon kleine Änderungen der an den einzelnen Elektroden der HF-Spektrometerröhre
anliegenden Gleichspannungen erhebliche Änderungen im Betriebsverhalten der Röhre
zur Folge haben können. Diese Spannungsschwankungen beeinflussen sowohl das Auflösungsvermögen
als auch die Empfindlichkeit der Meßanordnung. üblicherweise werden die an den Elektroden
anliegenden Gleichspannungen aus verschiedenen Spannungsversorgungsgeräten der Netzspannung
entnommen. Dabei bewirken schon geringe Spannungsschwankungen eine so wesentliche
Änderung der Ionenstrahlintensität, daß es selbst bei Entnahme der Spannungen aus
hochstabilisierten getrennten Netzgeräten kaum gelingt, mit den bekannten Hochfrequenzmassenspektrometern
hinreichend genaue und reproduzierbare Messungen durchzuführen. So ist beispielsweise
durch umfangreiche Untersuchungen ermittelt worden, daß Veränderungen der Bremsspannung
und der Hoch-. frequenztrennspannung mit 1% je für sich Empfindlichkeitsänderungen
in der Größenordnung von 20% hervorrufen können.
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Die Erfindung geht daher von der Aufgabenstellung aus, eine Hochfrequenzmassenspektrometerröhre
auf einfache Art und Weise in ihrem Betriebsverhalten zu stabilisieren. Eingehende
Untersuchungen zeigten nämlich, daß sich die Spannungsabhängigkeiten zum Teil gegenseitig
derart kompensieren, daß die Änderung des Ionenstromes bei der Änderung der Spannung
an der einen Elektrode durch die Wirkung der gleichsinnigen Spannungsänderung an
einer anderen Elektrode weitgehend ausgeglichen wird. Das Kennzeichnende an einer
Höchfrequenzmassenspektrometerröhre nach der Erfindung wird daher darin gesehen,
daß alle Elektrodengleichpotentiale in an sich bekannter Weise von einem durch eine
einzige Gleichspannungsquelle gespeisten Spannungsteilerwiderstand - abgegriffen
werden und daß ferner von diesem Spannungsteilerwiderstand eine Vergleichspannung
für die Amplitudenregelung der Hochfrequenzspannung des Trennsystems abgenommen
wird, welcher die durch Gleichrichtung der Hochfrequenz erzeugte Richtspannung durch
eine gleichfalls vorbekannte Regelanordnung nachgeführt wird. Es hat sich nämlich
gezeigt, daß wenn man die Hochfrequenztrennspannung mit den übrigen Gleichspannungen
der Elektroden koppelt, welche von einem gemeinsamen Spannnügsteilerwiderstand abgegriffen
werden, sich überraschenderweise bei Schwankungen der gemeinsamen Eingangsspannung
eine Schwankung der Empfindlichkeit von nur maximal 2 bis 3 % in dem in Frage kommenden
Arbeitsbereich ergibt.
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Es ist nun keineswegs naheliegend, die Hochfrequenztrennspannung in
der Weise mit den Gleichspannungspotentialen zu -koppeln, daß von dem gemeinsamen
Spannungsteilerwiderstand eine Gleichspannung abgegriffen wird, welche als Vergleichsgröße
für die Richtspannung der Hochfrequenzspannung dient. Zur Lösung der der Erfindung
zugrunde liegenden technischen Aufgabe ergibt sich aber eine automatische Anpassung
der Hochfrequenzamplitude an die Änderung der Gleichspannungspotentiale, und zwar
überraschenderweise in der Richtung, daß eine weitgehende Kompensation der Empfindlichkeitsschwankung
eintritt. Da die Einflüsse der einzelnen Potentiale nicht ohne weiteres abzuschätzen
sind, fehlt für die Verwertung des bekannten Standes der allgemeinen Schaltungstechnik
und Übertragung dieses Standes der Technik auf das Gebiet der Hochfrequenzmassenspektrometerröhren
jede Voraussetzung.
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Zum Stand der Technik sind lediglich bekanntgeworden Formeln der Elektronenoptik,
mit Hilfe deren komplizierte Sachverhalte bei Hochfrequenzmassenspektrometerröhren
nur sehr näherungsweise
geklärt werden könnten und eine übersichtliche
Vorausberechnung der Einflüsse bei Spannungsänderungen an mehreren Elektroden auch
weder nahegelegt noch ermöglicht werden (Brüche -S c h e r z e r, »Geometrische
Elektronenoptik«, 1934, S.84). Zu den übrigen, etwa aus dem Stand der Technik zu
entnehmenden Sachverhalten ist auszuführen, daß im ATM-Blatt J 386-1, Dez. 1950,
Blatt 3, linke Spalte, Maßnahmen beschrieben werden, die eine Stabilisierung des
Gleichstromverstärkers erreichen sollen. Solche Maßnahmen werden in der Anmeldung
nicht beansprucht. Eine Stabilisierung der Nullpunktwanderung des Gleichstromverstärkers
kann durch die beanspruchten Maßnahmen nicht erreicht werden. Durch die nachfolgend
beschriebenen Maßnahmen soll verhindert werden, daß bei Massenspektrometern, die
mit mehreren Auffängern gleichzeitig mehrere Massen nachweisen, durch Änderung der
Beschleunigungsspannung oder der Feldstärke des Magneten eine Verschiebung der Linien
auftritt. Im Fall des Hochfrequenzmassenspektrometers ist eine Linienverschiebung
nur durch Frequenzänderung möglich. Eine Stabilisierung der Frequenz wurde in der
Anmeldung nicht beansprucht.
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In der USA.-Patentschrift 2 844 726 werden zwar die Potentiale der
Elektroden 10, 29 und 30 bis 37 einer gemeinsamen Spannungsquelle entnommen, nicht
aber die der Kathode 55 und der Anode 56.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 945123 ist nicht zu erkennen, daß die
vom RF-Oszillator 43 erzeugte HF-Spannung 47 durch das Gleichspannungsnetzgerät
21 geregelt wird. Das gleiche gilt für die USA: Patentschrift 2 959 676.
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Aus den vorgenannten Angaben zum Stand der Technik ergibt sich, daß
für die angegebene Kopplung zwischen den Gleichspannungspotentialen und der Richtspannung
der Hochfrequenztrennspannung keine Hinweise bekannt sind.
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Außer von den Gleichspannungen an den Elektroden der Röhre hängt die
Empfindlichkeit der Massenanzeige noch in hohem Maß von der Hochfrequenzspannung
an den Gittern des Trennsystems ab. Bei gegebenen Werten der Elektrodenpotentiale
muß daher ein bestimmter Wert der Hochfreqenzamplitude eingehalten werden, wenn
man optimale Betriebseigenschaften erzielen will. Bei bekannten Hochfrequenzmassenspektrometern
wird daher durch Gleichrichter der für das Trennsystem bestimmten Hochfrequenzspannung
eine Richtspannung erzeugt und mit einer konstant vorgegebenen Vergleichsgleichspannung
in einer Brückenschaltung verglichen. Entsprechend dem Unterschied zwischen der
Vergleichsgleichspannung und der Richtspannung erfolgt eine Regelung der Hochfrequenzamplitude
des Hochfrequenzgenerators, die beispielsweise durch Änderung der Anodenspannung
herbeigeführt werden kann.
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Überschreitet in einem bestimmten Betriebszustand die Richtspannung
die Vergleichsgleichspannung und ist somit die Hochfrequenzspannungsamplitude höher
als der gewünschte Optimalwert, so wird über ein entsprechendes Schaltelement eine
Herabsetzung der Anodenspannung des Hochfrequenzgenerators bewirkt und damit der
Optimalzustand hergestellt. Bei einer entgegengesetzten Abweichung bewirkt die Regelung
eine entsprechende Spannungserhöhung. Da jedoch die Optimalampli-Lude der Hochfrequenzspannung
mit der Gleichspannung an den Elektroden zusammenhängt, wird gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, die zur Amplitudenregelung benötigte
Vergleichsgleichspannung von demselben Spannungsteilerwiderstand abzugreifen, an
dem bereits die Abgriffe der übrigen Elektrodengleichpotentiale liegen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel, eine Stabilisierungsschaltung
nach der Erfindung, schematisch dargestellt. Man erkennt den Querschnitt einer zylinderförmigen
Hochfrequenzmassenspektrometerröhre 1, welche mit einem Stutzen 2 an eine nicht
dargestellte Vakuumapparatur angeschlossen werden kann. In der Röhre 1 sind eine
Glühkathode 3, eine Ionenquelle 4 (gleichzeitig Anode), Abschirmgitter 5 und 6,
ein Bremsgitter 7, ein Ionenfänger 8 und ein aus elf Gittern 9 bis 19 bestehendes
Trennsystem angeordnet. Die Glühkathode 3 wird mittels einer Heizbatterie
20 geheizt. Die Hochfrequenzspannung für die Gitter 9 bis 19 des Trennsystems
liefert ein abstimmbarer Hochfrequenzgenerator 21. Der zum Ionenfänger 8 gelangende
Ionenstrom wird durch ein einseitig geerdetes Meßinstrument 22 angezeigt. Alle an
den Elektroden 3 bis 19 auftretenden Gleichspannungen werden gemäß der Erfindung
von einem Spannungsteilerwiderstand 23 abgegriffen, der seinerseits von einer Gleichstromquelle
24 gespeist wird. Von der Glühkathode 3, die den Erdungspunkt des Spannungsteilers
bei 231 festlegt, werden emittierte Elektronen gegen die Ionenquelle 4 dadurch beschleunigt,
daß die Ionenquelle 4 bei 232 auf ein höheres Potential, das Anodenpotential, gelegt
ist. Die Elektronen ionisieren dabei in der Ionenquelle 4 das in der Meßröhre
1 enthaltene Gas. Die Ionen werden nun durch das hoch negativ vorgespannte Abschirmgitter
5, dessen Potential bei 233 abgegriffen wird, aus der Ionenquelle 4 herausgezogen
und gegen die das Trennsystem bildenden Gitter 9 bis 19 beschleunigt. Das Abschirmgitter
5 treibt ferner Elektronen, die die Anode 4 passiert haben sollen, wieder zurück.
Das aus den Gittern 9 bis 19 bestehende Trennsystem liegt mit seinem Fußpunkt 234
an einer gegenüber der Kathode 3 negativen Gleichspannung. Das am Ende der von den
Gittern 9 bis 19 gebildeten Trennstrecke gelegene Bremsgitter 7 ist posistiv vorgespannt
und an den Abgriff 235 gelegt. Es läßt nur diejenigen Ionen zum Ionenfänger 8 gelangen,
die die Resonanzbedingung erfüllten und daher genügend Energie aufnehmen konnten.
Mit Hilfe des hoch negativ vorgespannten Abschirmgitters 6, dessen Fußpunkt bei
236 liegt, werden alle Sekundäreffekte, die einen zu hohen Ionenstrom vortäuschen
könnten, unterdrückt. Erfindungsgemäß entnimmt man dem Spannungsteilerwiderstand
bei 237 und 238 auch noch die Vergleichsgleichspannung zur Regelung der Hochfrequenzamplitude.