DE1952123C3 - Vorrichtung zur Gasanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gasanalyse, bestehend aus einer Ionenquelle zur Ionisierung des Gases, aus einem Besehleunigungselek- »5 trodensystem für die durch eine Blendenöffnung der Ionenquelle extrahierten Ionen, aus einer Spannungs-. Versorgung für das Beschleunigungselektrodensystem, aus einem magnetischen oder elektrostatischen Sektorfeld für die Ablenkung der beschleunigten Ionen und aus einem lonenkollektor für den Nachweis von abgelenkten Ionen.

Eine derartige Vorrichtung zur Gasanalyse mit einem magnetischen Sektorfeld ist aus »G-I-T Fachzeitschrift für das Laboratorium«, 11. Jahrg. (1967), S. 533 bis 534, bekannt. Dabei wird der Gesamtdruck des Gases durch Messung des lonenstromes auf der Blende mit dem Eintrittsspalt für das magnetische Trennsystem bestimmt. Es ist aber schwierig, die in Frage kommenden äußerst geringen Ströme mit genügender Genauigkeit auf solch einer Blende zu messen.

Eine Vorrichtung zur Gasanalyse mit einem elektrostatischen Sektorfeld wurde von ]. Bracher in »Zeitschrift für angewandte Physik«, Band XIX, Heft 4— 1965, S. 347 bis 348, beschrieben. Diese Vorrichtung enthält einen Ablenkkondensator zum Erzeugen eines elektrostatischen Sektorfeldes von 63 1/2°. Eine Spannungsversorgung enthält einen Impulsgenerator, mit dessen Hilfe dem Beschleunigungselektrodensystem eine pulsierende Spannung, bei der die Dauer der Spannungsimpulse im Vergleich zu der Laufzeit der Ionen in der Ionenquelle klein ist, zugeführt wird, so daß bei dieser Vorrichtung Ionen mit einem nahezu konstanten Quotienten des Impulses und der Ladung aus der Ionenquelle extrahiert werden. Im eleklrostatisehen Sektorfeld beschreiben diese Ionen Kreisbahnen, deren Radius dem Quotienten der Ladung und der Masse der Ionen proportional ist, so daß lediglich Ionen mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Ladung und Masse zum lonenkollektor gelangen. Das Spektrum kann durch langsame Änderung der Impulsdauer oder der Impulshöhe oder der Stärke des elektrostatischen Sektorfeldes abgetastet werden.

Es sei bemerkt, daß nachstehend der Kürze wegen der Ausdruck »konstante Spannung« gebraucht werden wird. Dieser Ausdruck entspricht dann stets dem obenstehenden Ausdruck »wenigstens während einer der Laufzeit der Ionen in der Ionenquelle entsprechenden Zeit nahezu konstante Spannung«. Ferner wird der Ausdruck »pulsierende Spannung« gebraucht werden. Dieser Ausdruck entspricht dann stets dem obenstehenden Ausdruck »pulsierende Spannung, bei der die Dauer der Spannungsimpulse in bezug auf die Laufzeit der Ionen in der Ionenquelle kurz ist«.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Gasanalyse zu schaffen, in der durch einfache elektrische Umschaltung mit derselben Meßanordnung und auf demselben Innenkollektor entweder das Massenspektrum oder der Gesamtdruck des Gases gemessen werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Spannungsversorgung wahlweise entweder Spannungsimpulse, deren Dauer klein im Vergleich zur lonenlaufzeit im Beschleunigjngsfeld ist, oder eine Spannung, die wenigstens während einer der lonenlaufzeit im Beschleunigungsfeld entsprechenden Zeit nahezu konstant ist, liefert.

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung wird vermieden, daß bei Messung des Gesamtdruckes Röntgenstrahlen aus dem Teil der Vorrichtung, in dem die Ionen gebildet werden, den lonenkollektor erreichen können, so daß besonders geringe Gasdrücke gemessen werden können, während bei üblichen lonisaiionsmanometern der scheinbare lonenkollektorstrom infolge der aus dem lonenkollektor durch Röntgenstrahlen ausgelösten Sekundärelektronen von dem reellen .lonenkollektorstrom verschieden ist und der Beitrag zu dem scheinbaren lonenkollektorstrom infolge dieses Sekundärstromes eine untere Grenze finden zu messenden Druck bestimmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gasanalyse,

Fig.2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gasanalyse mit einer gleichen Ionenquelle wie nach F i g. 1,

Fig. feinen Schnitt längs der Linie 111-111 durch die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ionenquelle, wobei die Spannungsversorgung für das Beschleunigungselektrodensystem in der Ionenquelle schematisch dargestellt isi.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält eine mit 1 bezeichnete Ionenquelle, einen mit 2 bezeichneten Separatorabschnitt und eine mit 3 bezeichnete Detektionsvorrichtung. Die evakuierte Ionenquelle 1 enthält eine Wand 4 und ist mit einer Gaszufuhrleitung 5 versehen. Innerhalb der Ionenquelle werden Ionen aus dem zugeführten Gas mittels eines Elektronenstrahls 6 erzeugt. Die Elektronen werden von einer Kathode 7 emittiert und mit Hilfe eines schwachen, durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Magnet erzeugten Magnetfeldes gebündelt. Der Elektronenstrahl 6 wird auf einen Elektronenkollektor 8 aufgefangen, vor dem ein Blende 9 angeordnet ist. Zwischen der Kathode 7 und dem Elektronenkollektor 8 befinden sich ferner ein Gitter iO zur Stabilisierung der Intensität des Elektronenstrahls und ein Gitter 11, mit dessen Hilfe die Energie der Elektronen geändert werden kann. Die vom Elektronenstrahl 6 erzeugten Ionen werden durch eine enge Blendenöffnung 12 hindurch mittels eines von einem Beschleunigungselektrodensystem (Elektroden 13,14,15 und 16) erzeugten elektrischen Feldes aus der Ionenquelle extrahiert. Die aus der Ionenquelle extrahierten Ionen treten in das teilweise gekrümmte evakuierte Rohr 17 ein, das die Ionenquelle 1 mit dem

evakuierten Teil innerhalb der Wand 18 der Dctckiionsvorrichtung 3 verbindet. Im Rohr 17 treten <\\c Ionen in ein magnetisches Sektorfeld ein, das mittels des Magnets 19 erzeugt wird. Die Richtung der magnetischen Feldstärke ist senkrecht zu der Zcichnungscbcne. Innerhalb der Wand 18 befinden sich die Blenden 20 und 21 und der lonenkollektor 22. Nur Ionen, die nahezu der selektierten Bnhn 23 folgen, erreichen den loncnkollektor 22, der mit einer Meßvorrichtung 24 zum Messen des lonenkollektorstromes verbunden ist. In Fig.3, die einen Schnitt durch die Ionenquelle 1 längs der Linie lll-lll zeigt, ist die Spannungsversorgung 25 zur Speisung der Elektroden 13, 14, 15 und 16 schcmalisch dargestellt. Mit HiITe der Relais 26,27,28 und 29 können die Elektroden 13, 14, 15 und 16 entweder mit der Speisevorrichtung 30 oder mit der Speisevorrichtung 31 verbunden werden. Die Speisevorrichtung 30 liefert eine konstante Spannung. Die Speisevorrichtung 31 liefert eine pulsierende Spannung. Wenn die Elektroden 13, 14, 15 und 16 mit der Speisevorrichtung 30 für konstante Spannung verbunden sind, haben die extrahierten Ionen einen nahezu konstanten Quotienten der Energie und der Ladung und werden im magnetischen Sektorfeld nach dem Quotienten des Impulses und der Ladung getrennt, wodurch nur Ionen mit einem bestimmten Quotienten des Impulses und der Ladung, d. h. mii einem bestimmten Verhältnis zwischen Masse und Ladung, den Kollektor 22 über die selektierte Bahn 23 erreichen. Die Vorrichtung wirkt dann als ein Massenspektrometer. Wenn die Elektroden 13, 14, 15 und 16 mit der Speisevorrichtung 31 für pulsierende Spannung verbunden sind, haben die extrahierten Ionen einen nahezu konstanten Quotienten des Impulses und der Ladung und werden im magnetischen Scktorfcld nicht getrennt, wodurch alle Ionen den Kollektor 22 über die selektierte Bahn 23 erreichen. Die Vorrichtung wirkt dann als ein Gesamtdruck-lonisationsmanometer. Durch das Vorhandensein des gekrümmten Rohres 17 und der Blenden wird der lonenkollektor auf zweckmäßige Weise gegen Röntgenstrahlen aus der Ionenquelle abgeschirmt.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 enthalt eine gleiche Ionenquelle 1 wie die Vorrichtung nach Fig. 1 und ist gleichfalls mit der in Fig. 3 dargestellten Spannungsversorgung versehen; diese Vorrichtung enthält eine gleiche Detektionsvorrichlung 3 wie nach Fig. I, hai aber einen anderen Scparalorabsehnhi 2'. Der Separatorabschnitl 2' enthält das Rohr 17', in dem die Ionen in ein elektrostatisches Sektorfcld eintreten, das vom Ablenkkondensator 19' erzeugt wird. Nur die Ionen, die nahezu der selektierten Bahn 23' folgen, erreichen den lonenkollektor 22. Wenn die Elektroden 13, 14, 15 und 16 mil der Speisevorrichtung 31 für pulsierende Spannung verbunden sind, haben die extrahierten Ionen einen nahezu konstanten Quotienten des Impulses und der Ladung und werden im elektrostatischen Scktorfeld nach dem Quotienten der Energie und der Ludung getrennt, wodurch nur Ionen mit einem bestimmten Quotienten der Energie und der Ladung, d. h. mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Masse und Ladung, den Kollektor 22 über die selektierte Bahn 23' erreichen. Die Vorrichtung wirkt dann als ein Massenspektrometer. Wenn dagegen die Elektroden 13, 14, 15 und 16 mit der Speisevorrichtung 30 für konstante Spannung verbunden sind, haben die extrahierten Ionen einen nahezu konstanten Quotienten der Energie und der Ladung und werden im elektrostatischen Sektorfelcl nicht getrennt, wodurch alle Ionen den Kollektor 22 über die selektierte Bahn 23' erreichen. Die Vorrichtung wirkt dann alseinGesamtdruck-lonisationsmanomctcr.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Gasanalyse, bestehend aus einer Ionenquelle zur Ionisierung des Gases, aus einem Beschleunigungselekirodensyslem für die durch eine Blendenöffnung der Ionenquelle extrahierten Ionen, aus einer Spannungsversorgung für das Beschlcunigungselektrodensystem, aus einem magnetischen oder elektrostatischen Sektorfeld für die Ablenkung der beschleunigten Ionen und aus einem lonenkollektor für den Nachweis voni abgelenkten Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung wahlweise entweder Spannungsimpulse, deren Dauer klein im Vergleich zur lonenlaufzeit im Beschleunigungsfeld ist, oder eine Spannung, die wenigstens Während einer der lonenlaufzeit im Beschleunigungsfeld entsprechenden Zeit nahezu konstant ist, liefert.

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