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Massenspektrometer mit zirkularperiodischer Ionen-Beschleunigung vom
Typ eines Omegatrons Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit zirkularperiodischer
Ionen-Beschleunigung vom Typ eines Omegatrons, bei dem die durch einen Elektronenstrahl
in einem Meßraum gebildeten Ionen unter Einwirkung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes
senkrecht zur Richtung dieses Elektronenstrahles und eines magnetischen Gleichfeldes
parallel zur Richtung des Elektronenstrahles stehen und zu einem in diesem Meßraum
befindlichen Ionenauffänger gelangen, dessen Strom ein Maß für den Anteil einer
speziellen Masse in einem Gemisch darstellt.
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Es sind bereits Einrichtungen zum Nachweis von Ionen unterschiedlicher
Massen bekanntgeworden, bei denen in einem evakuierten Meßraum aus einem neutralen
Gasgemisch durch einen Elektronenstrahl Ionen gebildet werden. Diese Ionen sind
dann der Einwirkung eines magnetischen Gleichfeldes und eines dazu senkrecht liegenden
elektrischen Hochfrequenzfeldes ausgesetzt und gelangen aus dem Bereich des Elektronenstrahles
über spiralförmig verlaufende Bahnen zum Ionenauffänger, an dem sie einen entsprechenden
Ionenstrom je nach dem Anteil einer bestimmten Ionenart hervorrufen. Der Einzelnachweis
der verschiedenen Ionenmassen geschieht durch Veränderung der Frequenz der Hochfrequenzspannung
oder durch eine entsprechende Änderung der an sich zeitlich konstant gehaltenen
magnetischen Induktion. Für jedes Wertepaar der elektrischen Feldstärke E bei einer
vorgegebenen Frequenz U und der magnetischen Induktion B liegen nur für eine ganz
bestimmte Ionenmasse günstige Führungsverhältnisse vor, und daher können nur Ionen
mit dieser bestimmten Masse zum Ionenauffänger gelangen. Alle übrigen Ionen werden
fühzeitig aus der Spiralbahn herausgezogen und in den Meßraum gestreut.
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Will man bei einer solchen Einrichtung sehr nahe beieinanderliegende
Ionenmassen sicher trennen, so ist es wesentlich, dafür zu sorgen, daß nur eine
bestimmte Ionenart in dem elektromagnetischen Feld eine Vorzugsrichtung erlangt
und auf dem Ionenauffänger auftreffen kann. Alle übrigen Ionen müssen durch Abbremsung
aus der für die bestimmungsgemäßen Ionen vorgesehenen Spiralbahn abgetrennt werden.
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Es ist in diesem Zusammenhang vorgeschlagen worden, drei voneinander
getrennte Felder zu verwenden. So zeigt ein unter dem Namen Paulsches Massenfilter
in der Technik bekanntes Trennsystem die überlagerung eines stationären magnetischen
Feldes mit einem elektrischen Hochfrequenzfeld und einem elektrischen Gleichfeld.
Dabei ist bereits vorgeschlagen worden, den Verlauf der Hochfrequenz-Spannung in
einer für die Massenanalyse günstigeren Form dadurch zu erreichen, daß zusätzlich
zur Hochfrequenzspannung eine Wechselspannung kleiner Amplitude mit halber Frequenz
angelegt wird. Man kennt außerdem Anordnungen, bei denen einem elektrischen und
einem magnetischen Gleichfeld ein hochfrequentes elektrisches Zylinderfeld oder
ein hochfrequentes Magnetfeld in Achsrichtung der Ionenbahn überlagert wird. In
beiden Fällen fehlt die Anwendung eines elektrischen Drehfeldes, welches die erwünschte
fortgesetzte Beschleunigungswirkung auf die entstehenden Ionen ausübt und diese
zur Auffängerelektrode beschleunigt.
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Elektrische Drehfelder sind bei Massentrennsystemen bereits angewendet
worden, um einem in einem Ionisierungsvolumen gebildeten Ionenstrahl zusätzlich
eine Komponente der Kreisbewegung zu überlagern, wodurch sich eine günstigere Anordnung
der Auffänger für die zu trennenden Massen ergibt.
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Die vorgenannten Anordnungen haben jedoch noch nicht zu einem ausreichenden
Auflösungsvermögen geführt. Dies gilt insbesondere für die Trennung von Isotopen
und die Analyse von Gasgemischen.
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Die vorliegende Erfindung geht aus von dem Stand der Technik und hat
sich insbesondere die Aufgabe gestellt, für die Analyse von Gasgemischen beispielsweise
der ausgeatmeten Luft für diagnostische Zwecke eine Vorrichtung anzugeben, durch
die eine Verbesserung des Auflösungsvermögens bei Massenspektrometern erzielt wird.
Das Kennzeichen der Erfindung wird darin gesehen, daß senkrecht zum elektrischen
Hochfrequenzfeld und senkrecht zum magnetischen Gleichfeld im Meßraum ein zusätzliches
elektrisches Hochfrequenzfeld angelegt ist, dessen Frequenz sich von der Frequenz
des ursprünglich angelegten elektrischen Hochfrequenzfeldes höchstens
um
ein ganzzahliges Vielfaches unterscheidet und gegenüber diesem eine Phasenverschiebung
von 90° aufweist.
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Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn die Frequenz des
zusätzlichen elektrischen Hochfrequenzfeldes gleich der des ursprünglichen elektrischen
Hochfrequenzfeldes war. Bei der vorbekannten Einrichtung erfolgte die Beschleunigung
der Ionen nur während eines Teiles der Spannungskurve, weil die im Bereich der Nulldurchgänge
auftretenden geringen Spannungswerte keine wesentliche Kraftwirkung auf die Ionen
ausüben konnten. Dieser Umstand trat hinsichtlich des Auflösungsvermögens nachteilig
in Erscheinung. Nach der Erfindung wird jedoch nunmehr ein hochfrequentes elektrisches
Drehfeld zur Führung der Ionen innerhalb des Ionisierungsvolumens angewendet, so
daß die zur Aussortierung bestimmten Ionen während des ganzen Umlaufes beschleunigt
werden, während die von der Auffangelektrode fernzuhaltenden, nicht resonanzfähigen
Ionen fortgesetzt abgebremst werden. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Steigerung
des Auflösungsvermögens: Außerdem zeigt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit
bei kleinen Hochfrequenzspannungen. Dies ist dadurch bedingt, daß nunmehr alle durch
den Elektronenstrahl gebildeten Ionen dauernd unter der Einwirkung eines hinreichend
starken elektrischen Feldes stehen, so daß der Bildung eines Raumladungsgebietes
um den Elektronenstrahl entgegengewirkt wird.
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Für das anzuwendende elektrische Hochfrequenzdrehfeld sind verschiedene
Amplitudenverhältnisse zwischen den beiden elektrischen Wechselfeldern möglich.
Man kann vorzugsweise gleiche Amplituden zur Erzeugung eines Kreisfeldes, aber auch
ungleiche Amplituden zur Erreichung eines elliptischen Feldverlaufes anwenden. Im
allgemeinen wird man die Frequenz des hochfrequenten elektrischen Zusatzfeldes zweckmäßig
gleich der Frequenz des ursprünglichen elektrischen Hochfrequenzfeldes wählen.
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Bei der Abstimmung der Einrichtung auf die verschiedenen Ionenmassen
müssen selbstverständlich beide Frequenzen entsprechend verändert werden, wenn man
nicht auf die Frequenzänderung verzichtet und die Variation der Führungsbedingungen
durch eine Veränderung des magnetischen Gleichfeldes verwirklicht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßanordnung nach der
Erfindung, F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Meßanordnung nach F i g. 1, F i
g. 3 eine räumliche Darstellung der Elektrodenanordnung in perspektivischer Ansicht.
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In F i g. 1 erkennt man einen kastenförmigen Meßraum, welcher durch
Elektrodenpaare 1, 2 sowie 3, 4 begrenzt wird. Das Elektrodenpaar 1, 2, dessen Elektrode
2 geerdet ist, dient zum Anlegen der durch einen ersten Hochfrequenzgenerator 15
erzeugten Hochfrequenz-Wechselspannung El. Die Elektroden 3 und 4, welche als Lochblenden
zum Durchtritt eines von einer Glühkathode 13 erzeugten Elektronenstrahls 16 ausgebildet
sind, ermöglichen eine erwünschte Fokussierung dieses Elektronenstrahls 16 im evakuierten
Meßraum. Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt mit Hilfe einer Vorspannungsquelle
12, welche der Elektronenauffängerelektrode 14 ein entsprechend positives Potential
mitteilt. Durch eine Durchbrechung in der Elektrode 2 ist eine Ionenauffangelektrode
7 isoliert eingeführt, deren Strom über einen Verstärker 8 mit Hilfe eines Meßinstrumentes
9 gemessen werden kann.
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An den Plattenelektroden 5, 6 liegt die zusätzliche Hochfrequenz-Wechselspannung
E, (vgl. Fig. 2), welche durch einen zweiten Hochfrequenzgenerator 10 erzeugt
wird. Im Meßraum entsteht somit ein elektrisches Drehfeld, dessen Drehachse parallel
zum Magnetfeld verläuft. Statt aus einem zweiten Hochfrequenzgenerator kann man
die zusätzliche Hochfrequenzspannung auch aus der ersten Hochfrequenzspannungsquelle
unter Zwischenschaltung eines Phasenschiebers von an sich bekannter Konstruktion
entnehmen. Auch bei Verwendung von zwei getrennten Hochfrequenz-Spannungsquellen
werden deren Frequenzen zweckmäßig gleich gewählt. Zur Speisung der Glühkathode
13 ist eine Heizstromquelle 11 vorgesehen.