DE1498983C - Vorrichtung zur Trennung von Ionen mit verschiedener spezifischer elektn scher Ladung - Google Patents
Vorrichtung zur Trennung von Ionen mit verschiedener spezifischer elektn scher LadungInfo
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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 κ, β und γ positive Konstanten darstellen, welche
der Gleichung « + 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 α = —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 von aufeinanderfolgenden Schwi ngungen
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 /(/) 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
ist, wobei Z1(O eine periodische Funktion der Zeit t
ist und wobei für die Koordinaten (x, y) lediglich ein Bereich verwendet wird, in dem y
> j χ \ ist, und daß die Ionen mit einer überwiegenden Anfangsgeschwindigkeit
in z-Richtung in das elektrische Feld eintreten.
Die Funktion /x(i) 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 =
(2)
verändert, wobei Z1(J) 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. 7 a und 7 b 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
flit) § an (4Y C0S (« Ψ + «»)
ι VO /
bestimmen; sie ist lediglich unter der Bedingung
π π
< φ < —
4 4
erfüllt.
In der vorstehend angegebenen Gleichung ebenso wie in den folgenden Ableitungen besitzen die einzelnen
verwendeten Zeichen folgende Bedeutungen:
Lo Φ = Potential,
/i = Potential der Stabelektrode, bezogen auf die
rechtwinkelig ausgebildete Gegenelektrode,
/2 = das zusätzliche Potential beider Elektroden,
bezogen auf Erde,
t = Zeit,
t = Zeit,
t0 = Zeitpunkt, zu dem das Ion in das Trennfeld
eintritt,
a, q = Substitutionen in der Mathieuschen Diffeso
rentialgleichung,
d, φ = Koordinaten eines Polarkoordinatensystems
(Fig. 8),
D = Abstand des Stabes vom Scheitelpunkt des
D = Abstand des Stabes vom Scheitelpunkt des
Winkels,
1^ x, y, ζ = Koordinaten eines rechtwinkeligen Koordinatensystems
(F i g. 8),
ε = Phasenkonstante,
n, s = Summenindizes,
ε = Phasenkonstante,
n, s = Summenindizes,
jo ξ = Variable der Mathieuschen Differential
gleichung,
U = Gleichspannung,
V = Hochfrequenzamplitude,
ω — Kreisfrequenz,
V = Hochfrequenzamplitude,
ω — Kreisfrequenz,
ß' = Parameter der Mathieuschen Differentialgleichung,
m = Ionenmasse,
m = Ionenmasse,
e = Elementarladung.
40
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 ?-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 an (« φ 2) Die Lösungen dieser Differentialgleichungen er-
und εη — 0 wie folgt ausgedrückt werden geben die Ionenbahnen im Spektrometer. Sie bilden
/ d \2 sowohl in der x-z-Ebene als auch in der j-z-Ebene
Φ = /i(0 · fl2 · I — I cos 2φ. komplizierte Schwingungen, welche im allgemeinen so
\D J 5 aufgebaut sind, daß die Ionen bereits während, der
Bei Anwendung rechtwinkeliger (kartesischer) Koor- ersten Schwingung auf eine der beiden Elektroden
dinaten ist: auftreffen und auf diese Weise ausgeschieden werden.
x ~ — d · sin 95 Um also zu erreichen, daß eine Ionenbahn durch das
_ j . für y — ί *l' gesamte Trennfeld hindurchgeht, müssen die folgenden
y ~~ Φ' 10 drei Bedingungen erfüllt sein:
wird dann das Potential ^ es ist stets notwendig, daß y
> 0 ist,
Z1 (t) — —(Fcosco t + U) (b) es ist stets notwendig, daß y
> x\ ist,
(c) es sollte immer y < D sein,
eingesetzt, so führen die Gleichungen fur die lonen-
eingesetzt, so führen die Gleichungen fur die lonen-
bewegung unter Verwendung der Substitutionen 15 Nun gibt es tatsächlich eine Kombination der Para-
o τι AV meter α und q, welche es gestattet, sämtliche dieser drei
a2 = 1; ωί = 2ξ; a =
; q = Bedingungen gleichzeitig zu erfüllen. Wenn die Ionen
m ω2 D- m ω2 D3 jm wesentlichen parallel zur z-Achse in das Analysator-
zu den Mathieuschen Differentialgleichungen feld eingeschlossen werden (innerhalb des in der grap-
20 hischen Darstellung der F i g. 9 schraffierten Bereiches),
x _|_ (μ + 2 q cos 2 £) χ — 0, s0 läßt sich die Bewegung der Ionen in der j-Richtung
annäherungsweise durch die folgende Gleichung aus- y — (a + 2 qcos2i)y = 0. drücken:
ι 01 00 (ca
y (t0 + t) — 2,38 -y(Q sin —-— 'T as · s · sin s ω t0 J1 + V as cos s ■ ω (ί0 + O
β' 2cot ^1 IV
worin entspricht. Wandert der a, q-Wert in dem Stabilitäts
y{t0) der Ausgangsort der Ionenbewegung zum 3° diagramm nach rechts, so werden die Schwebungen
7 ·+ w / immer kurzer, und bei einer bestimmten Ionenenergie
as deer EntwickUgskoeffizient und ™rd schließlich ein Punkt erreicht, andern sämtliche
0, __ , 2 Ionen auf der Winkelelektrode abgeschieden werden.
Es ist also eine Massentrennung entlang der gesamten
ist, wobei k wiederum ein Maß für den Abstand des 35 J-Stabilitätsgrenze möglich, da die Ionenströme sehr
α,ήτ-Wertes von der linken Stabilitätsgrenze (des in weitgehend von dem eingestellten Verhältnis a/q unab-F
i g. 9 gezeigten schraffierten Bereiches) dargestellt. hängig sind. Dies stellt im Vergleich zu den bekannten
Unabhängig von der Phase ω ί0 der Hochfrequenz- Massenfiltern, bei denen ein konstantes a/q-Verhältnis
spannung, mit der das Ion seine Bewegung im Analy- einen wesentlichen Einfluß auf das gemessene Intensisatorfeld
beginnt, handelt es sich bei der Bewegungs- 40 tätsverhältnis ausübt, einen ganz wesentlichen Vorteil
bahn wegen der Glieder dar.
Der Voraussetzung (b), nämlich (y > \x\), kann
&[ηΚ-ωι und O
< B' << 1 durchentsprechendeloneneinschußbedingungen j;oent-
2 sprachen werden. Wenn ein Ion dieser Anforderung
45 nicht genügt, wird es automatisch in dem Analysatorum
eine Schwebung, wie dies in der Darstellung der feld ausgeschieden.
F i g. 10 schematisch angedeutet ist. Da ax kleiner als 1 Die Bedingung (c) bestimmt die Lage des Arbeitsist, besteht die besondere Eigenschaft dieser Schwebung, bereiches in dem Stabilitätsdiagramm in der Nähe der
auf der das gesamte Verfahren beruht, darin, daß die ^-Stabilitätsgrenze. Die Breite des Bereiches ist durch
Ionenbewegungsbahnen während eines längeren Zeit- 5° die Bedingung (a) gegeben.
raumes neben der i-Achse oder z-Achse liegen, Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an
womit die vorgenannte Bedingung (a) erfüllt ist. Die Hand der Zeichnungen veranschaulicht.
Länge der Schwebung, gemessen an der Anzahl der F i g. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung die
Länge der Schwebung, gemessen an der Anzahl der F i g. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung die
Hochfrequenzperioden, hängt lediglich von dem a, q- Elektrodenanordnung. Die mit 1 bezeichnete Feld-Wert
der Ionen ab, und es kann ihr theoretisch jede 55 elektrode besteht aus einem zylindrischen Stab. Die
gewünschte Länge verliehen werden. Da die räumliche Winkelelektrode ist aus einem einzigen Stück (2, 3)
Länge jedoch von der Geschwindigkeit der Ionen ab- hergestellt, z. B. aus Blech, Maschendraht, Drahtlagen
hängig ist, kann die räumliche Länge der Schwebung od. dgl. Der durch die beiden Ebenen 2 und 3 eingedurch
Veränderung der Ionengeschwindigkeit jeweils schlossene Winkel beträgt vorzugsweise 90°, so daß die
mit einem optimalen Wert der Länge des Spektro- 60 Oberflächen die Koordinatenbahnen y = + χ unc
meters angepaßt werden. Um ein Ion am Auffänger y = — x eines einzigen Quadranten darstellen. Es kön
i nachzuweisen, muß der erste Knoten seiner Schwe- nen jedoch auch Winkel zwischen 60 und 120° bzw
' bung hinter dem Ende des Analysatorfeldes liegen. In- kleinere und größere Winkelwerte angewandt werden
folgedessen werden sämtliche Ionen, deren Energie je nachdem, welcher Trennungsgrad, welche Ausbeuti
unterhalb eines bestimmten Mindestwertes liegt, auf 65 oder welche Trennungsgenauigkeit gewünscht wird
der Winkelelektrode abgeschieden. Diese Mindest- Die Winkelelektrode wird auf Erdpotential gehalten
energie ist proportional zu Δ q, was dem Abstand des Da eine derartige Elektrodenanordnung im Vergleicl
a, q-Wertes von der linken Stabilitätsgrenze (F i g. 9) zu der bei der Achse Z der Vierpolanordnung der ii
7 8
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 /i(0 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.
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 /i(0 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 findlichkeit von annähernd 3 · 10~4 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~x ° A liegt. Der entsprechende Ausschlag für
diese Weise im Vergleich mit dem bekannten Vierpol- die Massen 19 bis 45 liegt bei 1 · 10-1 ° A.
massenfilter wesentlich herabgesetzt. 55 Die (mit N2 kalibrierte) Empfindlichkeit beträgt
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
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
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 (9)
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 = A(O (*2 - y2)
ist, wobei /x(i) eine periodische Funktion der Zeit t
ist und wobei für die Koordinaten (x, y) lediglich ein Bereich verwendet wird, in dem y
> | χ j 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
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