DE1498983B2

DE1498983B2 - Vorrichtung zur Trennung von Ionen mit verschiedener spezifischer elektrischer Ladung

Info

Publication number: DE1498983B2
Application number: DE19631498983
Authority: DE
Inventors: Ulf von Dr rer. nat. 5300 Bonn Zahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-12-04
Filing date: 1963-03-16
Publication date: 1971-01-07
Also published as: DE1498983A1; GB1059599A; SE319324B; CH432053A; US3197633A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Trennung von Ionen mit verschiedener spezifischer elektrischer Ladung mit Elektroden, die mit Spannungsversorgungseinrichtungen verbunden sind, zur Erzeugung eines zeitlich periodischen elektrischen Feldes, in welches die Ionen mit einer Anfangsgeschwindigkeit eintreten.

Aus den deutschen Patentschriften 944 900 und 1 071 376 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Ionen verschiedener elektrischer Ladung bekannt. Die Trennung der Ionen erfolgt hierbei in der Weise, daß sie in ein zwischen Elektroden befindliches elektrisches Hochfrequenzfeld eingeschlossen werden, so daß lediglich Ionen ganz bestimmter spezifischer Ladung oder Masse das Feld durchlaufen und zu einer Auffängerelektrode gelangen können, während andere Ionen von den felderzeugenden Elektroden, welche entlang der Flugachse verlaufen, eingefangen werden.

Die voneinander zu trennenden Ionen werden in ein periodisch veränderliches elektrisches Hochfrequenzfeld eingeschlossen, dessen Potential Φ eine quadratische Funktion der Koordinaten x, y und ζ von der allgemeinen Form

ist, wobei /(?) eine periodische Funktion der Zeit t und oc, β und γ positive Konstanten darstellen, welche der Gleichung a + β = γ genügen, die aber im übrigen beliebig gewählt werden können. In der Praxis gelangt fast ausschließlich der Spezialfall γ = 0 zur Anwendung, was voraussetzt, daß a = —β ist. Die folgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf eine Feldelektrodenanordnung, welche dieser letztgenannten Anforderung entspricht. In einem derartigen Feld schwingen die sich bewegenden Ionen unter dem Einfluß des elektrischen Hochfrequenzfeldes in Querrichtung zu ihrer vorwärts gerichteten Bewegung. Dabei lassen sich die beiden folgenden Bewegungsarten voneinander unterscheiden:

1. Die Amplituden vonaufeinanderfolgenden Schwingungen nehmen exponentiell mit der Zeit zu, so daß diese Ionen auf die das Feld begrenzenden Elektroden auftreffen und auf diese Weise zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt während des Durchlaufens ihrer Bahn auf diesen Elektroden abgeschieden werden (instabile Bahnen).

2. Die Amplituden aller Schwingungen überschreiten nicht einen bestimmten Maximalwert, der von den jeweiligen Ausgangsbedingungen abhängig ist, unter denen ein Ion seine Bewegung in dem mathematisch quadratischen Potentialfeld beginnt. Liegt dieser maximale Wert der Schwingungsamplituden innerhalb des von den felderzeugenden Elektroden umschlossenen Raumes, so können die Ionen das gesamte Spektrometer durchlaufen und schließlich eine Auffängerelektrode am Ende des Analysators erreichen, wo sie durch elektrische Meßverfahren festgestellt werden können (stabile Bahnen).

Ob ein sich in dem Trennfeld bewegendes Ion auf stabilen oder instabilen Bahnen läuft, hängt dabei von seiner spezifischen elektrischen Ladung e/m ab, wobei e die elektrische Ladung und m die Masse des Teilchens ist. Bei entsprechend gewählten Werten des elektrischen Feldes können diese Felder also zur Trennung von Ionen unterschiedlicher Masse verwendet werden.

Analysatorfelder der vorbeschriebenen Art wurden bisher unter Zuhilfenahme einer aus vier Elektroden bestehenden Anordnung erzeugt, wobei die vier Elektroden in Idealfall jeweils einander zugewandte hyperbolische Oberflächen besitzen können, wie dies an Hand der Anordnung der Elektroden E in F i g. 1 dargestellt ist. Für die meisten praktischen Anwendungszwecke kommen jedoch auch vier zylindrische Stabelektroden mit kreisförmigem Querschnitt einer

ίο derartigen Anordnung mit hyperbolischen Elektroden hinreichend nahe. Eine solche aus vier zylindrischen Stabelektroden bestehende Anordnung ist bei F in F i g. 2 gezeigt. Jedoch können bei der genauen Justierung dieser Elektrodenstäbe zueinander möglicherweise Schwierigkeiten auftreten, da nämlich am Ende des Feldes in der Ionenbewegungsrichtung, die in F i g. 2 durch einen Pfeil Z angedeutet ist, der Abstand jedes einzelnen Stabes von der Feldachse sowie die Abstände der Stäbe untereinander gleich sein müssen.

Außerdem sollen innerhalb der gesamten Stabanordnung keinerlei Verdrehungen oder Verwindungen vorliegen. Die Funktion f(t) kann einen Gleichstromteil und einen überlagerten Wechselstromteil enthalten. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Hochfrequenzspannung und eine dieser überlagerte Gleichspannung verwendet wird. Beide Spannungen müssen dabei dem Elektrodensystem symmetrisch zum Erdpotential zugeführt werden. Zu diesem Zwecke muß die Gleichspannung jeweils gegenüber Erde gleiche positive und negative Anteile aufweisen, und die Hochfrequenzspannung muß genau symmetrisch gewählt werden, was vorzugsweise dadurch geschieht, daß ein Gegentaktgenerator Verwendung findet.

Der zur Erzielung einer optimalen Leistung in der Massenspektrometrie erforderliche Aufwand an Geräten und Einstellarbeiten ist bei Anwendung des vorbeschriebenen Prinzips beträchtlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, deren Aufbau gegenüber den bekannten Vorrichtungen vereinfacht und deren Wirkungsweise verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden derart ausgebildet und angeordnet sind, daß das Potential des elektrischen Feldes eine Funktion der kartesischen Ortskoordinaten χ und y von der Form

Φ = Λ(0 (χ² - y*)

ist, wobei J₁ (i) eine periodische Funktion der Zeit t ist und wobei für die Koordinaten (x, y) lediglich ein Bereich verwendet wird, in demy > \x\ ist, und daß die Ionen mit einer überwiegenden Anfangsgeschwindigkeit in z-Richtung in das elektrische Feld eintreten.

Die Funktion Z₁(O ist im allgemeinen sinusförmig, jedoch können auch Schwingungen mit rechteckiger, sägezahnförmiger oder anderer periodischer Form Verwendung finden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann z. B.

derart aufgebaut sein, daß in einem evakuierbaren Hohlraum eine Elektrode zwei einen Winkel einschließende elektrisch leitende Flächen bildet, in deren Winkelhalbierender in einem Abstand eine zweite Elektrode in Form eines zylindrischen Stabes angeordnet ist. Die elektrisch leitenden Flächen können hierbei einen rechten Winkel einschließen und können durch Bleche, Metallnetze oder gespannte Drähte gebildet sein. Außerdem können diese Flächen aus einem

Stück hergestellt sein. Weiterhin können die elektrisch leitenden Flächen Teile der Wandung der Vorrichtung darstellen. Zwischen den beiden Elektroden liegt eine aus einem Gleichspannungs- und einem Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannung. Die elektrisch leitenden Flächen der ersten Elektrode liegen vorteilhafterweise auf einem konstanten Potential, z. B. Erdpotential. Für die Ionenbahn ist mindestens je eine Eintritts- und Austrittsblende vorgesehen.

Analog der vorgenannten Feldgleichung (1) werden die in ein elektrisches Feld in z-Richtung eingeschlossenen Ionen der Wirkung eines Feldpotentials (Φ) ausgesetzt, welches sich als Funktion der Ortskoordinaten (x, y) und der Zeit (t) entsprechend der Gleichung

Φ = /i

-y²)

(2)

bestimmen; sie ist lediglich unter der Bedingung

verändert, wobei /_χ(/) eine periodische Funktion der Zeit ist und lediglich der Bereich y > | χ \ verwendet wird. Dies setzt voraus, daß sich die tatsächliche Achse der Bahn der Ionen in einem gewissen Abstand vom Nullpunkt des x-j'-Koordiantensystems befindet. Die ein derartiges Feld durchlaufenden Ionen bewegen sich dann, je nachdem, welche spezifische elektrische Ladung sie besitzen, auf stabilen oder instabilen Bahnen und werden auf diese Weise getrennt und können getrennt nachgewiesen werden.

Die erfindungsgemäße Spektrometervorrichtung kann insgesamt kleiner ausgebildet werden als eine Vierpolvorrichtung der bekannten Art. Als geeignete Vergleichsbasis kann ein bestimmter Ionenstrom am Auffänger angesehen werden. Verglichen mit einem Vierpolspektrometer der bekannten Art mit vier zylindrischen Stäben mit dem Durchmesser 1, weist ein erfindungsgemäßes Spektrometer bei dem gleichen Durchmesser der einzigen stabförmigen Elektrode lediglich die Hälfte des Ionenstromes auf. Dies ist auf die ungünstigeren Bedingungen bezüglich des Einschießens der Ionen in das Trennfeld zurückzuführen. Der verwendbare Ionenstrom nimmt annähernd linear mit der Querschnittsfläche des Trennfeldes zu. Dadurch, daß der Stabdurchmesser der einzigen Feldelektrode auf den Wert 1 · ]/~2 erhöht wird, kann ein erfindungsgemäßes Spektrometer hergestellt werden, das für den gleichen Ionenstrom ausgelegt ist wie ein Vierpolspektrometer der bekannten Art mit Stäben mit einem Durchmesser 1. Dementsprechend ist in diesem Fall ein erfindungsgemäßes Spektrometer wesentlich kleiner als ein Apparat der bekannten Art. Dies wird noch weiter verdeutlicht durch den in F i g. 7a und 7b angegebenen Vergleich, bei dem F i g. 7 a die geometrischen Verhältnisse eines Vierpolgerätes und F i g. 7 b die entsprechenden Verhältnisse eines erfindungsgemäßen Gerätes zeigt. Die Erhöhung des Stabdurchmessers einerseits und der Wegfall von drei Stabelektroden andererseits gleicht sich hinsichtlich des Einflusses auf die Größe der erforderlichen Hochfrequenzleistung gerade aus. Das Verhältnis von erforderlicher Hochfrequenzleistung zu dem zu trennenden Ionenstrom ist deshalb im wesentlichen für beide Geräte das gleiche.

Das Feldpotential in dem Raum zwischen dem zylindrischen Stab 1 und einer rechtwinkelig ausgebildeten Gegenelektrode 23 läßt sich durch die Gleichung

4 4

erfüllt.

In der vorstehend angegebenen Gleichung ebenso wie in den folgenden Ableitungen besitzen die einzelnen verwendeten Zeichen folgende Bedeutungen:

Φ = Potential,

Z₁ = Potential der Stabelektrode, bezogen auf die

rechtwinkelig ausgebildete Gegenelektrode,

/₂ = das zusätzliche Potential beider Elektroden, bezogen auf Erde,
t = Zeit,

/„ = Zeitpunkt, zu dem das Ion in das Trennfeld

eintritt,

a, q = Substitutionen in der Mathieuschen Diffe-J₀ rentialgleichung,

ά,φ = Koordinaten eines Polarkoordinatensystems

(F ig. 8),
D = Abstand des Stabes vom Scheitelpunkt des

Winkels,

*■> x, y, ζ = Koordinaten eines rechtwinkeligen Koordinatensystems (F i g. 8),
ε = Phasenkonstante,
n, s = Summenindizes,

I = Variable der Mathieuschen Differential

gleichung,

U = Gleichspannung,
V = Hochfrequenzamplitude,
ω = Kreisfrequenz,

ß' = Parameter der Mathieuschen Differentialgleichung,
m — Ionenmasse,

e = Elementarladung.
40

F i g. 8 zeigt schematisch einen Schritt durch die beiden Elektroden, um auf diese Weise einige der vorerwähnten und für die nachfolgende Berechnung erforderlichen Größen zu verdeutlichen.

F i g. 9 ist eine graphische Darstellung, bei der die Parametergrößen q auf der Abszisse und die entsprechenden Parametergrößen α auf der Ordinate aufgetragen sind. Ein von den Parametern α und q abhängiger stabiler Bereich der Ionen ist durch Schraffierung angedeutet.

F i g. 10 zeigt in schematischer Darstellung die Bahn eines Teilchens in dem System y relativ zu t oder z. Die wesentlichste Eigenschaft dieser Schwebungsbahn ist darin zu erblicken, daß die Bahn für die Bewegung der Ionen während einer verhältnismäßig langen Zeitdauer neben der i-Achse oder der z-Achse liegt.

Die analytische Behandlung der Gleichung für die Bewegung der Ionen in dem zwischen den Elektroden Bewegung der Ionen in dem zwischen den Elektroden 1 einerseits und 2 und 3 andererseits befindlichen Feld wird ganz besonders einfach, wenn der Koeffizient a₂ sämtliche anderen Koeffizienten weitaus übertrifft. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Durchmesser D des Stabes gleich 2,3mal dem Felddurchmesser D ist (wie im einzelnen noch deutlicher aus der weiter unten näher beschriebenen F i g. 8 hervorgeht). Die erste Annäherung für das Potential Φ kann dann

bei Vernachlässigung sämtlicher Werte von a_n (η φ 2) und ε_η = 0 wie folgt ausgedrückt werden

Bei Anwendung rechtwinkeliger (kartesischer) Koordinaten ist:

χ= —ά·ύηφ

fUry>jx|,
y — a ■ cos ψ ;

wird dann das Potential

Z₁(O= -(Fcoscoi + U)

eingesetzt, so führen die Gleichungen für die Ionenbewegung unter Verwendung der Substitutionen

„ , 8eC/ AeV

a₂ = 1; ωί — 2 ξ; a— ; q =

m ω² D² m ω² D²

zu den Mathieuschen Differentialgleichungen
χ + (α + 2 ί cos 21) χ = 0,
j — (α + 2 9 cos 2 ξ) y = 0.

Die Lösungen dieser Differentialgleichungen ergeben die Ionenbahnen im Spektrometer. Sie bilden sowohl in der x-z-Ebene als auch in der j-z-Ebene komplizierte Schwingungen, welche im allgemeinen so aufgebaut sind, daß die Ionen bereits während, der ersten Schwingung auf eine der beiden Elektroden auftreffen und auf diese Weise ausgeschieden werden. Um also zu erreichen, daß eine Ionenbahn durch das gesamte Trennfeld hindurchgeht, müssen die folgenden xo drei Bedingungen erfüllt sein:

(a) es ist stets notwendig, daß y > 0 ist,

(b) es ist stets notwendig, daß y > \x\ ist,

(c) es sollte immer y < D sein.

Nun gibt es tatsächlich eine Kombination der Parameter α und q, welche es gestattet, sämtliche dieser drei Bedingungen gleichzeitig zu erfüllen. Wenn die Ionen im wesentlichen parallel zur z-Achse in das Analysatorfeld eingeschlossen werden (innerhalb des in der graphischen Darstellung der F i g. 9 schraffierten Bereiches), so läßt sich die Bewegung der Ionen in der j-Richtung annäherungsweise durch die folgende Gleichung ausdrucken:

y(t₀+ 0=2,38

1
Y

sm

2ωί ^₁

worin

y(t₀) der Ausgangsort der Ionenbewegung zum

Zeitpunkt f₀,
ß_s der Entwicklungskoeffizient und

ß' = k²

ist, wobei k wiederum ein Maß für den Abstand des «,^-Wertes von der linken Stabilitätsgrenze (des in F i g. 9 gezeigten schraffierten Bereiches) dargestellt. Unabhängig von der Phase ω t₀ der Hochfrequenzspannung, mit der das Ion seine Bewegung im Analysatorfeld beginnt, handelt es sich bei der Bewegungsbahn wegen der Glieder

■ ■ . pt

sin —ωί und 0 < ß' <e 1

um eine Schwebung, wie dies in der Darstellung der F i g. 10 schematisch angedeutet ist. Da α_χ kleiner als 1 ist, besteht die besondere Eigenschaft dieser Schwebung, auf der das gesamte Verfahren beruht, darin, daß die Ionenbewegungsbahnen während eines längeren Zeitraumes neben der i-Achse oder z-Achse liegen, womit die vorgenannte Bedingung (a) erfüllt ist. Die Länge der Schwebung, gemessen an der Anzahl der Hochfrequenzperioden, hängt lediglich von dem a, q-Wert der Ionen ab, und es kann ihr theoretisch jede gewünschte Länge verliehen werden. Da die räumliche Länge jedoch von der Geschwindigkeit der Ionen abhängig ist, kann die räumliche Länge der Schwebung durch Veränderung der Ionengeschwindigkeit jeweils mit einem optimalen Wert der Länge des Spektrometers angepaßt werden. Um ein Ion am Auffänger nachzuweisen, muß der erste Knoten seiner Schwebung hinter dem Ende des Analysatorfeldes liegen. Infolgedessen werden sämtliche Ionen, deren Energie unterhalb eines bestimmten Mindestwertes liegt, auf der Winkelelektrode abgeschieden. Diese Mindestenergie ist proportional zu Δ q, was dem Abstand des a, q-Wertes von der linken Stabilitätsgrenze (F i g. 9) a_s · s · sin s ω /₀ J1 + Va₅ cos s · ω (ί₀ + 0 >.

entspricht. Wandert der a, ςτ-Wert in dem Stabilitäts diagramm nach rechts, so werden die Schwebungen immer kürzer, und bei einer bestimmten Ionenenergie wird schließlich ein Punkt erreicht, an dem sämtliche Ionen auf der Winkelelektrode abgeschieden werden. Es ist also eine Massentrennung entlang der gesamten ^-Stabilitätsgrenze möglich, da die Ionenströme sehr weitgehend von dem eingestellten Verhältnis ajq unabhängig sind. Dies stellt im Vergleich zu den bekannten Massenfiltern, bei denen ein konstantes a/q-Verhältnis einen wesentlichen Einfluß auf das gemessene Intensitätsverhältnis ausübt, einen ganz wesentlichen Vorteil dar.

Der Voraussetzung (b), nämlich (y > |x|), kann durch entsprechende Ioneneinschußbedingungen y₀ entsprochen werden. Wenn ein Ion dieser Anforderung nicht genügt, wird es automatisch in dem Analysatorfeld ausgeschieden.

Die Bedingung (c) bestimmt die Lage des Arbeitsbereiches in dem Stabilitätsdiagramm in der Nähe der j-Stabilitätsgrenze. Die Breite des Bereiches ist durch die Bedingung (a) gegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen veranschaulicht.

F i g. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung die Elektrodenanordnung. Die mit 1 bezeichnete Feldelektrode besteht aus einem zylindrischen Stab. Die Winkelelektrode ist aus einem einzigen Stück (2, 3) hergestellt, z. B. aus Blech, Maschendraht, Drahtlagen od. dgl. Der durch die beiden Ebenen 2 und 3 eingeschlossene Winkel beträgt vorzugsweise 90°, so daß du Oberflächen die Koordinatenbahnen y = + χ unc y = — χ eines einzigen Quadranten darstellen. Es kön nen jedoch auch Winkel zwischen 60 und 120° bzw kleinere und größere Winkelwerte angewandt werden je nachdem, welcher Trennungsgrad, welche Ausbeuti oder welche Trennungsgenauigkeit gewünscht wird Die Winkelelektrode wird auf Erdpotential gehalten

Da eine derartige Elektrodenanordnung im Vergleicl zu der bei der Achse Z der Vierpolanordnung der ii

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F i g. 2 gezeigten bekannten symmetrischen Anordnung systems zeigt, ist die Ionenquelle 11 mit einem Stromnicht symmertisch ist, können mit ihr keine Ionenbah- Versorgungsgerät 21 verbunden, welches den Strom nen erhalten werden, bei denen Schwingungen um eine vorzugsweise aus dem Netz bezieht. Die Ionenbederartige Symmetrieachse vorliegen. Trotzdem können schleunigungsspannung, beispielsweise 92 V, wird die Ionen das periodische Feld durchlaufen, da durch 5 dann zwischen der Ionenquelle 11 und der Winkeldie Wahl geeigneter Werte des elektrischen Feldes elektrode 2 angelegt. Die Ionen selbst werden durch Ionenbahnen erhalten werden, welche für zahlreiche Elektronenstoß in der Ionenquelle 11 erzeugt. Zu Schwingungen vollständig neben der Symmetrieachse diesem Zweck werden Elektronen von einem Glühverlaufen. Das heißt also, daß diejenigen Ionen, welche faden K emittiert und in die Quelle 11 eingeschlossen, neben der Achse schwingen, von denjenigen Ionen ge- ίο Mit Hilfe von Linsen L werden die Ionen fokussiert, trennt werden, welche um die Achse schwingen. Zu Die Feldelektrode 1 ist über ihren Anschluß 15 und dieser neuartigen Wirkung kommt noch die Trenn- einen Kondensator 22 mit einem Hochfrequenzgenewirkung hinzu, welche durch die vorbeschriebene rator 23 und über eine Selbstinduktionsspule 24 mit unterschiedliche Zunahme in der Amplitude der Ionen- einer Gleichspannungsquelle 25 verbunden, die ihrerschwingungen bedingt ist. 15 seits aus einem Gleichrichter bestehen kann. Der Hoch-

Die in F i g. 4 beispielsweise dargestellte Ausfüh- frequenzgenerator 23 und die Gleichspannungsquelle 25 rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung be- werden aus der vorbeschriebenen Stromzuführungssteht aus einem evakuierbaren langgestreckten und im leitung gespeist, an die auch das Gerät 21 angeschloswesentlichen rohrförmig ausgebildeten Gefäß 4, in dem sen ist. Die Auffängerelektrode 12 liegt an der Eineine zylindrische Stabelektrode 1 symmetrisch zu 20 gangsstufe eines Verstärkers 26, an dessen Ausgangseinem winkelförmig ausgebildeten Teil 2 angeordnet klemmen ein Schreiber 27 angeschlossen ist.
ist. Die Feldelektrode 1, die entweder massiv oder F i g. 6 zeigt nähere Einzelheiten einer geeigneten rohrförmig ausgebildet sein kann, ist gegenüber der Schaltung, mit deren Hilfe entsprechend der Funktion Winkelelektrode 2 isoliert; diese ist ihrerseits an der /j(/) eine Feldspannung aus der Hochfrequenzquelle23 Wand des Gefäßes 4 durch die Halterungen 5 befestigt. 25 und dem Gleichrichter 25 an die Feldelektrode 1 ange-Diese Halterungen 5 können aus Metall bestehen, wo- legt werden kann. Selbstverständlich können auch noch durch das Gebilde 2 an Erdpotential gelegt wird, da modifizierte Schaltungen verwendet werden, sofern das Gefäß 4 ebenfalls aus Metall besteht und geerdet dies für irgendwelche bestimmten Zweck gewünscht ist. wird.

Der Analysatorteil des Gefäßes ist über einen seit- 30 Bei Prüfungen, welche mit einem erfindungsgemäßen liehen Abzweig 6 an eine Vakuumpumpe angeschlos- Massenspektrometer mit einem Trennfeld von etwa sen. Außerdem ist der Analysatorteil stirnseitig mit 27 cm Länge durchgeführt werden, wird eine Emp-Flanschen 7 und 8 versehen, an denen entsprechende fmdlichkeit von annähernd 3 · ΙΟ"⁴ A/mm Hg erzielt. Deckel 9 und 10 angeschlossen sind, an denen wieder- Das Auflösungsvermögen liegt annähernd bei 190, die um eine Ionenquelle 11 und eine Auffängerelektrode 12 35 Form der Spitzen im Spektrogramm ist gut ausgebildet, angebracht sind. Das von der Ionenquelle 11 emittierte Das in F i g. 11 gezeigte Spektrogramm ist ein Bei- und in das Analysatorfeld eintretende Ionenbündel spiel für die mit einem Gerät der in F i g. 3 bis 6 dargetritt durch die Öffnung einer Blende 12' hindurch. Eine stellten Art aufgenommenen Diagramme. Die waageentsprechende Blende 13 ist vor dem Auffänger 12 rechte Achse des Diagramms gibt Massenzahlen an, angebracht. Ein Ansatz 14 am Analysatorgefäß trägt 40 die senkrechten Amplituden entsprechen dem zum einen isolierten Leiter 15, welcher mit der Feld- Auffänger fließenden Ionenstrom, wie er durch den elektrode 1 Kontakt hat. Die Elektrode 1 wird gegen- Ausschlag des Schreibgerätes angezeigt wird. Das über der Gegenelektrode 2 unter Zuhilfenahme von Spektrogramm wird für einen Massenbereich zwischen vier Isolatoren gleicher Höhe in der richtigen Stellung 14 und 15 durchgeführt. Die verwendete Vorrichtung gehalten. Zwei dieser Isolatoren sind bei 17 und 18 dar- 45 besitzt ein Analysatorfeld mit einer Länge von 27 cm gestellt. Sie sind auf eine der Planflächen der Winkel- bei einem »Felddurchmesser« von 1,5 cm. Die Freelektrode 2 aufgebracht. Das andere Ende der Isola- quenz der Hochfrequenzerregung für die Abtrennung toren ist dabei jeweils in geeigneter Weise, beispiels- der Masse 28 beträgt 1,54 MHz. Die Winkelelektrode weise durch Ankleben, mit dem Stab 1 verbunden. Die liegt auf Erdpotential. Der Gesamtdruck des in das beiden anderen nicht sichtbaren isolierenden Halterun- 50 Innere der Vorrichtung eingeführten stickstoffhaltigen gen sind vorzugsweise in der gleichen Weise an der Gases beträgt 10,3 · 10~⁷ mm Hg. Es zeigt sich, daß anderen Planfläche der Winkelelektrode 2 befestigt. der Vollausschlag für die Massen im Bereich 14 bis 18 Die Zahl der möglichen Justierungsfehler wird auf bei 3 · 10"¹ ° A liegt. Der entsprechende Ausschlag für diese Weise im Vergleich mit dem bekannten Vierpol- die Massen 19 bis 45 liegt bei 1 · 1O^-1 ° A.
massenfilter wesentlich herabgesetzt. ₅₅ Die (mit N₂ kalibrierte) Empfindlichkeit beträgt

Die Bahnen derjenigen Ionen, welche den Auffänger 3,0 · 10~⁴ A/mm Hg. Zur Aufnahme des gezeigten 12 erreichen, verlaufen derart, daß ein quasi optisches Diagramms wird eine Ionenbeschleunigungsspannung Bild der Eintrittsblende 12' auf die Austrittsblende 13 von 92 V zwischen der Ionenquelle 11 und der Winkelprojiziert wird. Auf Grund dieses Umstandes wird ein elektrode 2 angelegt. Die Elektronenemission der bestimmtes Auflösungsvermögen etwa mit der Hälfte 60 Ionenquelle beträgt 1,2 mA. Es wird eine Eintrittsderjenigen Ionenlaufzeit erreicht, wie sie normaler- blende (12 in Fig. 4) verwendet, deren Blendenweise bei vergleichbaren Vierpolmassenspektrometern Öffnung 2 mm² beträgt. Das Auflösungsvermögen beerforderlich ist. Damit wird also im Vergleich zu den trägt annähernd 190 und die Verweilzeit der Ionen im Vierpolgeräten je nach Wunsch ein stärkerer Ionen- Analysatorfeld 16,5 Hochfrequenzperioden,
strom, ein besseres Auflösungsvermögen oder ein 65 Wie das Diagramm deutlich macht, enthält das Gas kürzerer apparativer Aufbau erreicht. vorwiegend Ionen der Massen 18 und 28, gleichzeitig

Wie in F i g. 5 dargestellt ist, die lediglich die jedoch auch merkliche Mengen der Masse 44. Der

elektrischen Bestandteile des eigentlichen Analysator- besondere Wert dieses Diagramms sowie auch vieler

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ίο

anderer für andere Gase und unter anderen Betriebsbedingungen aufgenommener Diagramme liegt unter anderem darin, daß es eine gute Form der Spektrallinien oder Spitzen (peaks) mit einer verhältnismäßig großen Empfindlichkeit in sich vereinigt.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Trennung von Ionen mit verschiedener spezifischer elektrischer Ladung mit Elektroden, die mit Spannungsversorgungseinrichtungen verbunden sind, zur Erzeugung eines zeitlich periodischen elektrischen Feldes, in welches die Ionen mit einer Anfangsgeschwindigkeit eintreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden derart ausgebildet und angeordnet sind, daß das Potential des elektrischen Feldes eine Funktion der kartasischen Ortskoordinaten χ und y von der Form

Φ = Λ(0 (*²- y²)

ist, wobei /_x(0 eine periodische Funktion der Zeit t ist und wobei für die Koordinaten (x, y) lediglich ein Bereich verwendet wird, in dem y > \x\ ist, und daß die Ionen mit einer überwiegenden Anfangsgeschwindigkeit in z-Richtung in das elekirische Feld eintreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem evakuierbaren Hohlraum eine Elektrode zwei einen Winkel einschließende elektrisch leitende Flächen (2, 3) bildet, in deren Winkelhalbierender in einem Abstand eine zweite Elektrode in Form eines zylindrischen Stabes (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (2, 3) der ersten Elektrode einen rechten Winkel einschließen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Flächen (2, 3) durch Bleche, Metallnetze oder gespannte Drähte gebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei einen Winkel miteinander einschließenden elektrisch leitenden Flächen (2, 3) aus einem Stück hergestellt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Flächen Teile der Wandung der Vorrichtung darstellen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden eine aus einem Gleichspannungs- und einem Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannung liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Flächen der ersten Elektrode auf einem konstanten Potential liegen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je eine Eintritts- und Austrittsblende (12,13) für die Ionenbahn vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen