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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum gasdichten Abschließen der zwischen
der Ionenquelle und dem Analysatorteil eines Massenspektrometers liegenden Leitung
für den Ionenstrahl mit einem bewegbaren Ventilkolben, dessen Ende mit einem einen
Bestandteil der Leitung bildenden Ventilsitz zusammenwirkt.
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Der zu analysierende Stoff befindet sich normalerweise in einer Kammer,
die als Ionenquelle bezeichnet wird. In dieser Kammer werden die aus dem Stoff erzeugten
Ionen durch Beschleunigungselektroden zu einem Strahl gebündelt, so daß sie durch
eine enge Schlitzblende in den Analysatorteil eintreten. Wenn diese kleine Blende
die einzige Verbindung zwischen der Ionenquelle und dem Analysator darstellt und
wenn für diese beiden Bereiche getrennte Pumpen vorgesehen sind, ist es möglich,
eine Druckdifferenz zwischen der Ionenquelle und dem unter Hochvakuum stehenden
Analysatorteil aufrechtzuerhalten. Dies ist deswegen erwünscht, weil für viele Zwecke
ein möglichst hohes Vakuum für den Analysatorteil erforderlich ist, während der
Druck in der Ionenquelle nicht kritisch ist.
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Wenn der zu analysierende Stoff gewechselt werden soll, ist es notwendig,
die Ionenquelle zu öffnen, den vorhandenen Stoff zu entfernen und durch einen anderen
zu ersetzen. Wenn die Ionenquelle mit dem Analysatorteil des Spektrometers verbunden
ist, wird durch diesen Vorgang das Vakuum in dem Analysatorteil zerstört und muß
im ganzen Spektrometer jedesmal nach einem Wechsel des Stoffes erneuert werden.
Dies ist nachteilig, da die Erneuerung des Vakuums im ganzen Spektrometer eine lange
Zeit in Anspruch nimmt. Es ist daher erwünscht, den Analysatorteil des Massenspektrometers
gegenüber der Ionenquelle absperren zu können. In einem solchen Fall wird nur das
Vakuum in der Ionenquelle aufgehoben. Da das Volumen der Ionenquelle klein ist und
die obenerwähnten Druckunterschiede zulässig sind, kann das Vakuum in verhältnismäßig
kurzer Zeit wiederhergestellt werden.
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Es ist bekannt, für diesen Zweck Ventile zu verwenden, die einen Kolben
aufweisen, der entweder quer oder längs zur Achse des Ionenstrahls bewegbar ist,
um das Ventil zu öffnen und zu schließen. Diese beiden Arten von Ventilen haben
verschiedene Nachteile.
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Bei der an erster Stelle genannten Ausführung ist es sehr schwierig,
eine einwandfreie Abdichtung zu erhalten, wenn der Sitz für den Kolben quer zur
Achse des Ionenstrahls verläuft. Es ist dann erforderlich, irgendeinen nachgiebigen
Bauteil vorzusehen, der in Axialrichtung bewegt werden kann, um einen axial wirkenden
Dichtungsdruck zu erzeugen, da der Dichtungsdruck durch die Querbewegung des Kolbens
nicht ohne komplizierte mechanische Mittel erzeugt werden kann. Es ist normalerweise
auch notwendig, einen Dichtungskörper aus organischen Stoffen zu verwenden. Dies
ist jedoch bei einem Spektrometer, das ausgeheizt werden muß und frei von Verunreinigungen
sein soll, nicht erwünscht. Wenn bei dieser Art von Ventilen der Sitz axial in Richtung
des Ionenstrahls verläuft, unterbricht er die Bahn des Strahls, so daß sich weitere
Schwierigkeiten ergeben.
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Ähnliche Nachteile treten bei der an zweiter Stelle erwähnten Art
von Ventilen auf, und zwar sowohl wenn der Sitz axial oder quer zur Achse des Ionenstrahls
liegt, da in beiden Fällen der Kolben die Bahn des Strahls unterbricht. Die Aufgabe
der Erfindung besteht darin, ein Ventil zu schaffen, das eine einwandfreie Abdichtung
der Ionenquelle gegenüber dem Analysatorteil ermöglicht, ohne daß der Kolben den
Ionenstrahl unterbricht oder beeinträchtigt.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kolbenachse
schräg zur Leitung und die Ebene des Ventilsitzes senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Kolbens liegen.
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Da der Kolben schräg zur Achse der Leitung bewegbar ist und der Sitz
senkrecht zur Bewegungsrichtung verläuft, ist die Bahn des Ionenstrahls frei von
Unterbrechungen, wenn der Kolben von dem Sitz abgehoben ist. Wenn bei geschlossenem
Ventil der Kolben mit dem Sitz in Berührung steht, wird durch die Längsbewegung
des Kolbens ein hoher Dichtungsdruck ausgeübt, ohne Verwendung von zusätzlichen
nachgiebigen Teilen oder komplizierten Einrichtungen.
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Aus diesem Grund kann sowohl der Ventilsitz als auch das Ende des
Kolbens aus einem anorganischen Material, z. B. Metall, bestehen, so daß die Ionenquelle
ausgeheizt werden kann, um Verunreinigungen zu beseitigen, ohne daß die Funktion
des Ventils nachteilig beeinflußt wird. Infolge der Längsbewegung des Kolbens bei
der Betätigung des Ventils können Faltenbälge an Stelle einer drehbaren Abdichtung
benutzt werden, wobei der Kolben aus der Wand der Ionenquelle herausragt, um die
Ionenquelle gasdicht abzuschließen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung
Bezug genommen. Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Massenspektrometers
mit einem Ventil nach der Erfindung.
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Die Wandung der Ionenquelle besteht aus einer zylindrischen Metalltrommel
l; die auf der einen Seite durch einen Körper 2 und auf der anderen Seite
durch eine abnehmbare Abschlußplatte 3 verschlossen ist. Die Metalltrommel kann
beispielsweise aus rostfreiem Stahl. bestehen. Der Körper 2 enthält eine Leitung
4, die in axialer Richtung vom Innern der Ionenquelle zur Außenwand 5 des Körpers
2 führt. Das zu untersuchende, den Ionenstrahl erzeugende Material wird zu zwei
dünnen Stabelektroden 6 geformt, die so angeordnet sind, daß sie radial in das Innere
der Ionenquelle hineinragen. Ihre Enden sind durch einen kleinen Spalt voneinander
getrennt, der mit dem inneren Ende der Leitung 4 ausgerichtet ist.
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Zwischen der Ionenquelle und der Innenseite 37 des Körpers 2 ist eine
mit der Leitung 34 verbundene Metallplatte 38 und eine Beschleunigungs- und Fokussierelektrode
39 angeordnet, die eine zentrale Öffnung hat. Am Ende der Leitung 4 befindet sich
ein Schlitz 30 mit den Abmessungen etwa 0,05 X 1 mm.
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Eine Bohrung 51 führt vom inneren Ende 52 der Leitung 4 zur Außenseite
des Körpers 2. Diese Bohrung verläuft unter einem Winkel zur Achse der Leitung 4.
Ein Kolben 53 kann in dieser Bohrung bewegt werden; am inneren Ende des Kolbens
ist eine gehärtete Stahlkugel 54 montiert, die so angeordnet ist, daß sie gegen
einen Sitz 55 aus rostfreiem Stahl anliegt. Der Sitz erstreckt sich schräg über
die Leitung 4. Das äußere Ende des Kolbens 53 läuft durch eine Öffnung 56 in einem
Abdichtungskörper 57, wobei ein Faltenbalg 58 den Kolben in der öffnung abdichtet.
Der
Kolben ragt in einen Zylinder 61 und endet in einer Kolbenscheibe 62. Eine Flüssigkeit
aus einem Behälter 63 kann in den Zylinder 61 geleitet werden, um den Kolben entweder
nach innen oder außen zu bewegen. Durch diese Bewegung wird die Kugel 54 entweder
auf ihren Sitz 55 gedrückt oder davon abgehoben.
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Die Außenwand 5 ist mit dem Hauptkörper 69 des Massenspektrometers
luftdicht verbunden. Die Abschlußplatte 3 ist mit der Trommel 1 der Ionenquelle
verschraubt und durch einen Gummiring 71 abgedichtet, der sich in einer ringförmigen
Nut 72 in der Oberfläche der Platte befindet.
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Die Ionenquelle kann über eine Leitung 73, die mit einer Pumpe 74
verbunden ist, evakuiert werden. Der Hauptkörper 69 des Massenspektrometers kann
ebenfalls mit Hilfe einer entsprechend angeschlossenen Pumpe evakuiert werden. Die
einzige Verbindung zwischen der Ionenquelle und dem Hauptkörper 69 besteht durch
die Leitung 4. Das durch die Kugel 54 und den Sitz 55 gebildete Kugelventil dichtet
die Ventilöffnung in der Leitung 4 ab und ermöglicht es, das Vakuum in der Ionenquelle
aufzuheben, ohne das Vakuum im Hauptkörper des Spektrometers zu beeinträchtigen.
Wenn das Ventil geschlossen ist, kann die Abschlußplatte 3 entfernt und die Probenelektroden
ausgewechselt werden, ohne das Vakuum im Hauptkörper aufzuheben. Wenn die Elektroden
ausgewechselt werden, ist es möglich, auch die abnehmbare Scheibe 42 auszuwechseln.
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Die Abschlußplatte 3 wird dann wieder luftdicht auf die Ionenquelle
aufgesetzt und das Vakuum erneuert. Eine gewisse Gasmenge ist allerdings zwischen
dem Schlitz 30 und dem Sitz des Kugelventils eingeschlossen. Wenn das Kugelventil
anschließend geöffnet wird, dringt dieses Gas in den Analysator ein. Dieser Raum
wird daher so klein wie möglich gehalten. Das Vakuum im Analysatorteil ist niedriger
als das in der Ionenquelle. Der Schlitz 30 schirmt, was das Vakuum anbetrifft, die
Ionenquelle von der Leitung 4 ab.
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Anstatt den Kolben 53 in der beschriebenen Weise hydraulisch zu bewegen,
kann er auch mechanisch oder von Hand betätigt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Art der Ionenerzeugung
beschränkt, es können statt dessen auch andere bekannte Verfahren zur Erzeugung
der Ionen benutzt werden.