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Verfahren und Anordnung zum Nachweis von Ionen in Massenspektrometern
Die nutzbare Empfindlichkeit eines Massenspektrometers ohne oder mit vernachlässigbar
kleinem Störsignal, z. B. des Hochfrequenz-Quadrupol-Massenfilters nach P a ul (deutsche
Patentschrift 944 900), wird durch den Ionenstromverstärker bestimmt. Der empiìndlichste
Verstärker ist der Sekundärelektronenvervielfacher; sein maximaler Verstärkungsfaktor
beträgt etwa 1 108, er liegt also 3 bis 4 Zehnerpotenzen höher als der anderer in
Frage kommender Verstärker.
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Dieser hohe Verstärkungsgrad kann nur erreicht und stabil gehalten
werden, wenn die Elektroden des Sekundärelektronenvervielfächers sich dauernd im
höchsten Vakuum befinden. Wird der Sekundärelektronenvervielfacher als Ionenstromverstärker
verwendet, muß zwischen dem Ionenauffänger und dem Dynoden-Anodenraum des Sekundärelektronenvervielfachers
eine vakuummäßige Trennung bestehen.
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Wesentlich ist also die Trennung des Kollektorraumes des Massenfilters
von dem Vakuumraum des Sekundärelektronenvervielfachers, der unabhängig von dem
Gasdruck in dem Massenfilter sein soll; für eine einwandfreie Funktion des Multipliers
ist ein Druck von etwa 10-7 Torr erforderlich; eine Gasbeladung der Multiplierschichten
bei höheren Drücken kann Störungen geben.
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Es sind schon Versuche zur Lösung des obengenannten Problems bekanntgeworden.
So sind Vorrichtungen zur vakuummäßigen Trennung zwischen Ionenauffänger und Geiger-Müller-Zählrohr
beschrieben worden. lonenauffänger ist dabei ein Leuchtschirm; das von diesem emittierte
Licht wird mit einem Geiger-Müller-Zählrohr nachgewiesen. Durch den Ionenbeschuß
im Massenspektrometer kann jedoch die Fluoreszenzschicht zerstört werden. Weiterhin
sind Massenspektrometer mit Sekundärelektronenvervielfachern bekanntgeworden, bei
denen jedoch die Vakuumräume nicht getrennt sind.
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Schließlich sind Vorrichtungen zur vakuummäßigen Trennung zwischen
Ionenauffänger und Sekundärelektronenvervielfacher beschrieben worden; Ionenauffänger
ist dabei ein Leuchtschirm; das von diesem emittierte Lciht wird mit einem Foto-Sekundärelektronenvervielfacher
nachgewiesen. Zahlreiche Nachteile haben diese Vorrichtungen nicht in größerem Maße
zur Anwendung kommen lassen. Zur Zeit werden immer noch die Ionen aus dem Massenspektrometer
unmittelbar zu der ersten Dynode des Sekundärelektronenvervielfachers im Vakuumraum
des Massenfilters geführt, der maximale Verstärkungsfaktor und die Konstanz des
Sekundärelektronenvervielfachers können wegen des ungenügenden Vakuums dabei aber
nicht erreicht werden. Durch
künstlicheAlterung oder impulstechnische Maßnahmen wird
versucht, die Verstärkungsinstabilität auszuschalten.
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Die Erfindung zeigt eine vorteilhafte Lösung dieses Problems.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Ionen in dem
evakuierten Kollektorraum eines Massenspektrometers mittels eines Sekundärelektronenvervielfachers.
Gemäß der Erfindung sind der Kollektorraum und der Raum des Sekundärelektronenvervielfachers
vakuummäßig mittels einer Folie getrennt, um den für eine einwandfreie Funktion
des Sekundärelektronenvervielfachers notwendigen sehr kleinen Druck - (etwa 10-7
Torr) unabhängig vom Arbeitsdruck des Massenspektrometers aufrechtzuerhalten, die
Ionen werden mittels dieser Trennfolie aufgefangen; die dadurch hervorgerufene Ladung
der Folie wird mittels eines Elektronenstrahlbündels abgetastet, und der zurückkehrende
reflektierte Elektronenstrahl wird im Sekundärelektronenvervielfacher verstärkt.
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Bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann die Folie
aus am Rande isoliertem Metall oder aus leitendem Glas bestehen. Das Gehäuse der
Anordnung kann aus Glas bestehen und an den Auffangteil eines Massenspektrometers,
insbesondere eines Massenfilters, angesetzt sein. Zur Fokussierung und Justierung
des Elektronenstrahlbündels können Magnetspulen vorgesehen sein. Zur Aussendung
des Elektronenstrahlbündels kann eine Elektronenkanone, ein Elektronenstrahierzeugungssystem
für starke Elektronenstrahlen, vorgesehen sein.
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In der Figur ist beispielshaft eine Ausführungsform einer Anordnung
für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Im Laborgebrauch hat sich dafür
der Name »Ionentransformator« eingeführt. Die Auffängermembran
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trennt den Vakuumraum des Massenspektrometers von dem des Sekundärelektronenvervielfachers.
Sie besteht aus Metall, das an den Einspannstellen isoliert ist, sei es durch das
Material der Hülle der Vorrichtung oder durch aufgebrachtes Isoliermaterial. Die
Membran kann aber auch aus einem leitenden Glas bestehen. Die Membran stellt das
eine Ende einer zylindrischen Hülle 2 dar, die aus Metall oder Glas bestehen kann.
Am entgegengesetzten Ende ist der eigentliche Sekundärelektronenvervielfacher 10
angeordnet. In seiner Mitte ist eine Elektronenkanone 3 vorgesehen, die einen Strahl4
gegen die Membran aussendet. Je nach dem Ladungszustand der Membran wird ein mehr
oder weniger großer Teil des Elektronenstrahls zurückgesandt und fällt auf die erste
Dynode 5 des Vervielfachers 10. Zum genauen Einstellen der Form des Elektronenstrahls
dienen eine Fokussierspule 6 und eine Justierspule 7. Besteht die Hülle 2 aus einem
Isolierstoff, so kann ein Wandbelag 8 vorgesehen sein, der an eine bestimmte Spannung
oder an Erde gelegt werden kann. Mit 9 ist eine Sammelelektrode bezeichnet, die
zur Bildung der Form des Strahles benötigt wird. - 11 ist eine Bremselektrode in
der Nähe der Membran 1; mit ihrer Hilfe werden die Elektronen des Abtaststrahles
so weit abgebremst, daß sie die Membran nur dann erreichen können, wenn diese gegenüber
der Elektronenkanonenkathode ein positives Potential hat.
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Der Innenraum der Hülle 2 ist hochevakuiert, wie es für einen Sekundärelektronenvervielfacher
üblich ist; in dem Raum des Spektrometers dagegen können Drücke bis etwa 10-3 Torr
herrschen. Die Membran trennt Massenfilter-Meßzelle und Sekundärelektronenvervielfacher
vakuummäßig. Damit kann der Sekundärelektronenvervielfacher, der einen der Membranladung
proportionalen Elektronenstrom verstärkt, seinen maximalen Verstärkungsfaktor erreichen
und zeitlich konstant beibehalten. Im Gegensatz zu der bisher meist verwendeten
Anordnung mit direktem Ionenbeschuß der ersten Dynode des Sekundärelektronenvervielfachers
ist es bei der Anordnung nach der Erfindung nicht erforderlich, die Ionen nachzubeschleunigen.
Damit entfällt eine weitere Komplikation und Störungsquelle.
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Die Wirkungsweise wird nachstehend erläutert: Die Auffänger- oder
Speichermembran wirkt auf der dem Vervielfacher abgewandten Seite wie der bisher
verwendete Ionenauffänger des Massenfilters und wird von den aus dem Analysatorsystem
des Massenfilters austretenden positiven Ionen positiv aufgeladen. Aus der Elektronenkanone
der Anordnung werden Elektronen unter dem Einfluß der elektrischen Beschleunigungs-
und Bremsfelder zwischen der Kathode der Kanone, der Anode, Sammelelektrode und
Bremselektrode in Richtung der Auffängermembran geschossen. Die Elektronen werden
von den magne-
tischen Feldern der Justier- und Fokussierspulen so weit gebündelt,
daß ein Strahlenkegel entsteht, der an der Basis etwa den Durchmesser der Auffängermembran
hat. Die Elektronen werden im Bremsfeld zwischen Sammel- und Bremselektrode so weit
abgebremst, daß alle umkehren, wenn die Auffängermembran keine positive Ladung trägt,
d. h., wenn keine Ionen aus dem Analysatorsystem austreten. Ist die Auffängermembran
positiv geladen, wird diese Ladung von Strahlelektronen kompensiert. Diese Kompensationselektronen
fehlen in dem rückkehrenden Strahl. Die Elektronen des rückkehrenden Strahles fallen
auf die Anode, die zugleich die erste Dynode des Sekundärelektronenvervielfachers
ist. Die dem auf die Membrane treffenden Ionenstrom proportionale Differenz zwischen
vollem und um die Kompensationselektronen vermindertem rückkehrenden Elektronenstrom
wird im Sekundärelektronenvervielfacher verstärkt.