DE2250465A1 - Mehrkanal-massenspektrometer - Google Patents

Description

■Grnsl -G. UDeisse 5602 LANUEN8ERG (Rheinl), den

Bökenbusch 41

Dipl.-Phys. Jürgen lOeisse Telefon (O2127) 4019/4010

^r ' <S - ·> Telex8516895

Patentanwälte

Patentanmeldung

The Perkin-Elmer Corporation, Norwalk, Connecticut, USA

Mehrkanal-Massenspektrometer

Die Erfindung betrifft ein Mehrkanal-Massenspektrometer zur Bestimmung der proportionalen Mengen der Bestandteile eines Gasgemisches enthaltend Mittel zur Ionisation einer Probe des Gasgemisches, eine Mehrzahl von Auffängerelektroden zum getrennten Auffangen von Ionen der jeweils interessierenden Bestandteile und eine Mehrzahl von Auffängerausgangskreisen an den Auffängerelektroden, von denen jeder Mittel zur Erzeugung einer Spannung proportional zu dem jeweiligen Ionenstrom der aufgefangenen Ionen enthält.

Die vorliegende Erfindung bezieht auf ein Mehrkanal-Massenspektrometer zur Messung der Mengen wenigstens der Hauptkomponenten eines Gasgemisches. Speziell bezieht sich die Erfindung auf ein Massenspektrometer, welches laufend genaue Messungen der Mengen der Bestand beiLe eines ^fku·._;;:-.iiü.üehii.3, beispielsweise des Abems eines Pabienten

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bei der Narkose oder der Atmosphäre in einem Unterseeboot oder einer Raumkapsel liefert, auch wenn die Mengen der Bestandteile sich im Verlauf des Meßvorganges ändern.

Bei einem Massenspektrometer der vorliegenden Art wird eine Probe von Gas in eine Ionisationskammer eingeleitet, welche unter einem Vakuum steht und durch welche ein Strahl von Elektronen von einer emittierenden Kathode zu einer Anode hindurchtritt. Das Probengas wird in die Ionisationskammer durch einen geeigneten Einlaß eingeleitet, beispielsweise durch ein gebräuchliches Molekularleck, so daß sein Gasdruck ohne Störung der Zusammensetzung des Gases auf einen Wert vermindert wird, der mit dem Vakuum in der Ionisationskammer in Einklang steht. Der Elektronenstrahl ionisiert das Gas durch Elektronenbombardement, und die erhaltenen Gasionen werden durch ein geeignetes Ionenbeschleunigungs- und Bündelungssystem aus der Ionisationskammer, die üblicherweise als die Ionenquelle bezeichnet wird, in eine Analysenkammer beschleunigt. In der Analysenkammer, die auch unter einem Vakuum steht, werden die Ionen der jeweiligen Gase durch ein Magnetfeld auf getrennte gekrümmte Bahnen geleitet, deren Krümmungen durch die Verhältnisse von Masse zu Ladung der jeweiligen Ionen, die Ionengeschwindigkeit und die magnetische Feldstärke bestimmt sind. Ionenstrom-Auffängerplatten oder -schalen, die so angeordnet sind, daß sie die Ionen der bestimmten zu messenden Gase auffangen, erzeugen Signale, deren Ströme proportional zu den Verhältnissen von Masse zu Ladung der jeweils aufgefangenen Ionen sind. Die

Kollektorströme sind somit proportional auch zu den Partialdrücken der bestimmten Gase, deren Ionen aufgefangen werden.

Die proportionalen Mengen der interessierenden Bestandteile werden bestimmt durch Multiplizieren der Partialdruckmessung jedes Bestandteiles mit dem gleichen Faktor, derart, daß die Summe der durch die Multiplikation erhaltenen Werte gleich 1 ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfache, relativ billige und genaue. Mittel zum Erreichen eines Äquivalents der vorstehend erwähnten Multiplikation und zur Erzeugung fortlaufender Ausgangswerte zu schaffen, die den proportionalen Mengen der interessierenden Komponenten entsprechen, auch wenn die relativen Verhältnisse der jeweiligen Komponenten sich im Verlauf der fortlaufenden Probennahme und Messung ändern.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, Steuermittel zur. Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit des Spektrometers zu schaffen, und zwar trotz Änderungen in der Arbeitsweise des Gerätes, die sonst die Empfindlichkeit vermindern oder verändern würde. Beispiele dieser Änderungen umfassen Änderungen der Auffängerausgänge infolge Alterung der Auffängerschalen oder -platten, Änderungen in der Lage der Kathode oder Anode in der Ionisationskammer, eine Änderung im Grad des Vakuums in der Ionisationskammer und/oder eine Änderung in der Umgebungstemperatur.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Detektormittel zu schaffen, um eine Verminderung der wirksamen Menge von Probe in der Ionisationskammer anzuzeigen, die sich aus einer

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Drosselung des Probeneinlasses ergibt infolge Fehljustage des Molekularleckmechanismus, der üblicherweise zur Einstellung des molekularen und viskosen Flusses eines Probengases in die Ionisationskammer vorgesehen ist, oder eine übermäßige Änderung der Empfindlichkeit des Systems.

Die Erfindung besteht allgemein darin, daß zur Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit des Massenspektrometer Spannungssummiermittel vorgesehen sind, die so geschaltet sind, daß sie die Spannungen von den Auffangerausgangskreise» erhalten und summieren, daß durch eine Referenzspannungsquelle eine vorgegebene Referenzspannung an die Spannungssummiermittel angelegt ist, daß durch die Spannungssummiermittel ein Signal proportional zu der Differenz der Summe der Spannungen der Auffangerausgangskreise und der besagten Referenzspannung erzeugbar ist und daß in allen Auffängerausgangskreisen gleichartige Verstärkungsregelmittel vorgesehen sind, welche von den AusgangsSignalen der ßpannungssummiermittel beaufschlagt sind unddie Spannungen in den Auffängerausgangskreisen nach Maßgabe der Stärke des Ausgangssignals der Spannungssummiermittel alle um den gleichen Faktor verändern.

Gemäß der Erfindung ist in dem Massenspektrometer eine Schaltung zur Summierung der Ausgangssignale der Auffängerelektroden und zum Vergleichen der Summa mit/Referenzsignal vorgesehen. Die/einem Verstärkungsgrade der Auffangerausgangskreise sind einstellbar und können zu Beginn so eingestellt werden, daß »Jeder bei dem Partialdruck 1 des durch die betreffende Auffängerelektrode meßbaren Gasbestandteils das gleiche Signal erzeugt, und so, daß ihre Summe gleich dem Referenzsignal ist.

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Obwohl die kritischen Beziehungen zur Bestimmung der relativen Anteile der interessierenden Gasbestandteile die Bezie~ hungen zwischen den Ionenströmen an den Auffängerelektroden ist, ist das System zweckmäßigerweise so eingerichtet, daß die Einstellungen und die Eichung der Messungen mit Bezug auf Spannungswerte erfolgt. Da die Spannungen durch geeignete Wahl der Widerstände proportional größer in bezug auf die auftretenden Ströme gemacht werden können, ist mit Spannungen leichter zu arbeiten und man, gewinnt genauere Einstellungen und Meßwertanzeigen. Es versteht sich daher, daß die nachstehend beschriebenen Spannungswerte und -beziehungen auch in Form von Strömen ausgedrückt werden könnten.

Die vorerwähnte Verstärkungseinstellung kann in jeder geeigneten Weise vorgenommen werden, beispielsweise dadurch, daß Mittel zur Einstellung des Verstärkungsgrades von Elektrometerverstärkern vorgesehen sind, die in den Ausgangskreisen der Auffängerelektroden verwendet werden, oder durch Einschalten von Kombinationen von Festwiderständen zur Erzeugung der gewünschten Ausgangswerte. Bei dem.nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Verstärkungseinstellung durch geeignete Einstellung von veränderbaren Widerständen in spannungsgesteuerten Verstärkungsgradgliedern vorgenommen, die in. den Auffängerausgangskreisen angeordnet sind und die einen Teil der Empfindlichkeitssteuermittel darstellen, welche ein besonderes Merkmal der Erfindung bilden.

Erfindungsgemäß werden die Empfindlichkeitssteuermittel betätigt, wenn die Summe der Auffängerausgangsspannungen von der Gleichheit mit der Referenzspannung abweicht, und sie bewirken eine

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Veränderung der Verstärkung jedes der Auffängerausgangskreise um den gleichen Betrag, bis die Summe der Auffängerausgangsspannungen wieder der Referenzspannung gleichgemacht ist. Die Möglichkeit, eine gleichförmige Empfindlichkeit auf diese Weise aufrecht zu erhalten, beruht auf der Tatsache, daß die wesentlichen Empfindlichkeitsänderungen, die die Zuverlässigkeit eines Massenspektrometer begrenzen, auf Effekten beruhen, wie das Altern der Auffängerschalen oder anderer Bauteile, einer Bewegung der Kathode oder Anode aus ihrer ursprünglichen Lage, Änderungen des Grades des Vakuums in der Ionisationskammer und/ oder Änderungen in der Umgebungstemperatur, die alle Auffängerausgangsspannungen um den gleichen Faktor ändern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die erforderliche Verstärkungseinstellung bestimmt und bewirkt mittels einer Arbeitszyklus-Modulatoreinheit, welche spannungsgesteuerte Bauteile in den jeweiligen Auffängerausgangskreisen betätigt.

Der Arbeitszyküuanodulator erzeugt einen Rechtecksignalausgang derart, daß die Länge der Signalpiks proportional mit der Differenz der Referenzspannung und der Summe der Ausgangsspannungen der Auffängerausgangskreise veränderlich ist. Die Referenzspannung wird normalerweise so gewählt, daß bei der anfänglichen Betriebseinstellung des Gerätes die Dauer jedes Signalpiks ungefähr gleich der Zeit zwischen den Signalpiks ist.

Die spannungsgesteuerten Bauteile sind schaltende Bauteile, di· durch die Ausgangssignale der Anbeitszyklus-Modulatoreinhtit eingeschaltet und zwischen diesen Signalen ausgeschaltet w«r4en.

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Wenn sie eingeschaltet sind, bewirken sie die gleiche maximale Verstärkung in allen Auffängerausgangskreisen. Wenn sie abgeschaltet sind, schalten sie diese Kreise ab. Es sind Integratormittel vorgesehen, um die Ausgangsspannung zu mitteln.

Um eine übermäßige Änderung der Summe der Auff ängersignalspannungen festzustellen, die beispielsweise auf eine große Änderrung der Empfindlichkeit oder eine Drosselung des Probeneinlaßkanals zurückzuführen ist, sind die oben beschriebenen Bauteile der Empfindlichkeitsregelschaltung so gewä-hlt, daß eine Erhöhung dieser Summe jenseits eines vorgegebenen Punktes mehr ist, als durch den normalen Betrieb der Empfindlichkeitsregelmittel wieder auf das Niveau der Referenzspannung heruntergebracht werden kann. In dieser Situation erzeugt die Arbeitszyklus-Modulatoreinheit einen kontinuierlichen Signalausgang, so daß das spannungsgesteuerte Verstärkungsgibädglied eingeschaltet bleibt, mit dem Ergebnis, daß die Ausgangsspannung jedes der Auffängerausgangskreise auf einem Maximalwert ist. Es ist eine Detektorschaltung vorgesehen, die auf diesen Zustand anspricht und ein geeignetes Fehlersignal, beispielsweise ein Licht, einschaltet, so daß der Gerätebenutzer den Störzustand beheben kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

S¹Ig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Massenspektrometer nach der Erfindung.

. Fig.1a ist eine echematieche Darstellung einer anderen Einrichtung/Ier Referenzspannung, welche in dem Gerät von Pig. 1 verwendet wird, /zur Erzeugung BAD ORIGfNAL

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Fig. 2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines von mehreren gleichen spannungsgesteuerten Verstärkungsgrad-Bauteilen, welche Teile des in Fig. 1 dargestellten Gerätes sind, und

Fig. 3 ist eine Darstellung des Rechteckeignalausganges der Arbeitszyklus-Modulatoreinheit, weiche auch einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Gerätes bildet.

Ein Massenspektrometer nach der vorliegenden Erfindung, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, enthält eine Ionisationskammer 10 unter einem Vakuum, durch welche ein Elektronenstrahl 11 von einer emittierenden Kathode 12 zu einer Anode 13 verläuft. Zwischen Kathode 12 und Anode 13 liegt eine Spannungsquelle Ein Gemisch von zu analysierenden Gasen, welches von einer nicht dargestellten Quelle kommt, wird durch eine Leitung15t beispielsweise ein Kapillarrohr, zu einer geeigneten Probeneinlaßvorrichtung 16 geleitet, welche eine Probe des Gases bei reduziertem Druck in die Ionisationskammer 10 einläßt. Die Einlaßvorrichtung 16, welche zweckmäßigerweise eine konventionelle Art von Molekularleck ist, vermindert den Druck der Gasprobe ohne ihre Zusammensetzung zu stören auf einen Wert, der mit dem in der Ionisationskammer vorgesehenen Grad von Vakuum und den erforderlichen Ionenströmen in Einklang ist. Die Gasprobe in der Ionisationskammer wird durch Elektronenbombardement ionisiert, und die erhaltenen Ionen werden durch bündelnde Linsen (Elektroden) 19 beschleunigt, und zwar durch einen Durchbruch 17 in eine Analysenkammer 18 hinein. Die bündelnden Linsen 19 sind zwischen dem Auslaß der Ionisationskammer 10 und dem Durchbruch 17 angeordnet.

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Es ist einleuchtend, daß für die dargestellte Anordnung zur Erzeugung des Elektronenstrahls andere ionisierende Mittel vorgesehen werden könnten· Beispielsweise könnte ein KaItkathodenemitter wie ein Elektronenvervielfacher verwendet werden, der Elektronen an seinem Ausgang nach Maßgabe eines Eingangssignals und einer Eingangsspannung erzeugt. Eine andere Alternative würde darin "bestehen, das Gasgemisch mittels einer Punktquelle von hoher Spannung in der Nähe der Probe des Gasgemisches in der Kammer 10 zu ionisieren und den Strom., von Ionen zu den Auffängerelektroden mittels eines Beschleunigungsgitters zu regeln. Eine andere Alternative würde,darin bestehen, ultraviolettes Licht zur Ionisierung des Gases zu verwenden und den Ionsisationspegel durch einen Verschluß, zu regeln, der das zur Einwirkung gebrachte Licht steuert, oder durch Veränderung der Intensität der Lichtquelle.

In der Analysenkammer 18, die auch unter Vakuum steht, wird der Strom von Gasionen durch ein Magnetfeld 20 in getrennte gekrümmte Bahnen 21a, b und c von verschiedener Krümmung nach Maßgabe ihrer Verhältnisse von Masse zu Ladung aufgespalten. Ionenstrom-Auffängershalen, die durch die Auffängerschalen 22a, b und c dargestellt sind, sind so angeordnet, daß Ionen der bestimmten, in dem Gemisch interessierenden Gase, auf sie auftreffen und Signalströme proportional zu den Massen und damit den Partialdrücken der jeweiligen Gase erzeugen. Elektromierverstärker 23a, b und c, die mit den Auffängerschalen 22a, b und c verbunden sind, verstärken die Auffängerströme und erzeugen Spannungen proportional jeweils zu den aufgefangenen Ionenströmen.

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Um sicherzustellen, daß die Spannungen von den Elektrometerverstärkern 25a, b und c den wahren Partialdruck der Gase ü.axstellen, deren Ionen an den Auffängerschalen 22a, b und c aufgefangen werden, sind Gegenkopplungswiderstände Ha, b und c über die jeweiligen Elektrometerverstärker geschaltet und so gewählt, daß ein mit dem Arbeitsbereich des Gerätes übereinstimmender maximaler Ausgang des Elektrometerverstärkers erhalten wird.

Die Betriebsdrücke, nämlich das Vakuum in der Ionisationskammer 10 und der Analysenkammer 18, werden von einer Vakuumpumpe 25 erzeugt, die mit der Analysenkammer 18 verbunden ist. Die Vakuumpumpe 25 kann eine Ionenpumpe sein, welcher eine nicht dargestellte Vorpumpe zugeordnet ist, um die Erzeugung des Vakuums in konventioneller Weise einzuleiten.

Die Ausgänge der Elektrometerverstärker 23a, b und c sind über spannungsgesteuerte Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c auf geschaltet, welche sowohl die Mittel zur anfänglichen Bin-* stellung der Spannungen in den Ausgangskreisen der Auffängerelektroden als auch die Empfindlichkeitsregelmittel bilden, die nachstehend im einzelnen beschrieben werden. Die Ausgangsseiten der Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c sind parallel auf einen Hegistrierstreifenschreiber 27 geschaltet und außerdem über Widerstände B2a, b und c auf einen hochverstärkenden Summierverstärker 30.

Der Schreibstreifenschreiber, der von konventioneller Bauart ist, hat Schreibfedern 28a, b und c, die über den Schreibstrei-

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fen nach Maßgabe von Spannungen bewegbar sind, die von den Auffangerelektroden erhalten werden. Wenn das Spektrometer richtig in der nachstehend beschriebenen Weise justiert ist, entsprechen die Höhen der jeweiligen von den Schreibfedern gezogenen Linien den proportionalen Mengen der gemessenen Gasbestandteile .

Der Summierverstärker 50 ist auch von einer Referenzspannung über einen Festwiderstand R5 beaufschlagt, der in Serie mit einem veränderbaren Widerstand R4- liegt. Der veränderbare Widerstand R4- ist als Mittel zur Einstellung der Höhe der Referenzspannung vorgesehen. In der in Fig. 1 dargestellten Form wird die Referenzspannung von einem Gesamtdruckwandler 51 geliefert, welcher in die Leitung 15 eingeschaltet ist und ein Referenzsignal proportional zu dem Gesamtdruck des Gasgemisches in der Zufuhrleitung erzeugt.

Fig. 1a zeigt eine alternative Ausführungsform zur Erzeugung der Referenzspannung, nämlich mittels einer unveränderlichen Spannungsquelle 52. Wie in der Anordnung nach Fig. 1 wird die Referenzspannung dem Summierverstärker 50 über einen veränderbaren Widerstand RA- und einen Festwiderstand R5 zugeführt. Diese Anordnung ist geeignet zur Verwendung in Systemen, in denen das Gasgemisch dem Spektrometer unter einem im wesentlichen konstanten Druck zugeführt wird.

Die Spannungen der Auffangerausgangskreise an den Ausgangesei ten der Widerstände R2a, b und c werden in dem Summierverstärker 50 summiert. Der Summierverstärker vergleicht diese Gesamtsumme mit der Referenzspannung von dem Widerstand R5 und gibt

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ein Signal proportional zu jeder Differenz auf eine Arbeitszyklus-Modulatoreinheit 311 durch welche der Betrieb jedes der Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c steuerbar ist.

Die Arbeitszyklus-Modulatoreinheit 31 besteht aus einem Oszillator 34- und einem Verstärker 35· Der Oszillator 34 ist mit einer geeigneten Spannungsquelle 36 verbunden und erzeugt eine regelmäßige Folge von gleichförmigen Dreieckswellensignalen, die dem Verstärker 35 zugeführt werden. Der Ausgang des Summierverstärkers 30, welcher ebenfalls auf den Verstärker 35 geschaltet ist, ist ein Gleichspannungssignal, dessen Spannung proportional der Differenz zwischen der Referenzspannung von dem Wi-

derstand R3 und der Summe der Spannungen von den Elektroineterverstärkern 23a, b und c ist. Der Verstärker 35 wirkt als Komparator und liefert eine Ausgangsspannung V1, wenn und solange das Differenzsignal vom Verstärker 30 kleiner als das Signal vom Oszillator 34 ist und liefert eine Ausgangsspannung O₁ wenn das Differenzsignal vom Verstärker 30 größer als der Augenblickswert des Dreieckssignals vom Oszillator 34 wird.

Wenn die Summe der Spannungen von den Verstärkungsgrad-Bauteilen unter die Referenzspannung abfällt, wächst die Spannung von dem Smmuierverstärker 30, die Dauer der Signalpiks von dem Verstärker 35 wird kürzer und die Zeit zwischen ihnen wird langer. Der Summierverstärker 30 und der Oszillator 34 sowie der Verstärker 35 der Arbeitszyklus-Modulatoreinheit 33 sind so gewählt, daß, wenn die Summe der Spannungen von den Verstärkungggrad-Bauteilen 26a, b und c, die an den Ausgangsseiten der Widerstände R2a, b und c erscheinen, gleich der Referenzspannung ist, die Dauer der Signalpiks der Spannung von dem Verstärker 35 ungefähr gleich

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der Zeit zwischen den Signalpiks ist. Die Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c sind schaltende Bauteile, welche maximale Verstärkung in dem Auffangerausgangskreis hervorrufen, wenn sie abgeschaltet sind und diese Auffängerausgangskreise kurz- . schließen, wenn sie eingeschaltet sind. Die verschiedenen Verstärkungsgrad-Bauteile sind die gleichen und ihr Aufbau und ihre Wirkungsweise sind nachstehend unter Bezugnahme auf das Verstärkungsgrad-Bauteil 26a beschrieben, welches repräsentativ für die anderen Bauteile und in Fig. 2 im einzelnen dargestellt ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, besteht jedes Verstärkungsgrad-Bauteil aus einem HPN-Schalttransistor Q1 und einem Verstärker 37· Der Ausgang des zugehörigen Elektrometerverstärkers 23a ist über Widerstände R5 und R6 mit dem Verstärker 37 verbunden. Die Basis des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R7 an den Verstärker 35 der Arbeitszyklus-Modulatoreinheit 32 angelegt und erhält dessen Ausgangssignale. Sein Emitter ist geerdet und sein Kollektor liegt in der Leitung zwischen dem Elektrometerverstärker 23a und dem Verstärker 27 zwischen den Widerständen R5 und R6.

Über den Verstärker 37 ist eine Integratorschaltung bestehend aus einem Kondensator C1 parallel mit einer Serienschaltung eines Festwiderstandes R8 und eines veränderbaren Widerstandes R9 geschaltet, um den auf den Summierverstärker 30 gegebenen Ausgang des Verstärkers 35 zu mitteln. Der veränderbare Widerstand R9 in den verschiedenen Verstärkungsgrad-Bauteilen bildet die Mittel zur Einstellung des anfänglichen Abgleiche des Systems so, daß die Summe der Ausgangsspannungen der verschiedenen Auf-

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fängerausgangskreise an den Widerständen R2a, "b und c gleich der Referenzspannung von dem Widerstand R5 ist, wenn das Gerät anfänglich eingerichtet wird zur Messung des Verhältnisses der Bestandteile einer bestimmten Kombination von Gasen.

Der Wert des Transistors Q1 ist so in bezug auf den Ausgang des Verstärkers 35 gewählt, daß der Transistor Q1 in seinen leitenden Zustand angeschaltet wird durch die Piks der Rechteckspannung von dem Verstärker 35 und während der Zeit zwischen den Fiks abgeschaltet wird. Wenn somit das Ausgangssignal des Summierverstärkers 30 ansteigt, weil die Summe der Spannungen von den Auffängerausgangsschaltungen geringer ist als die Referenzspannung, sind die Spannungspiks von dem Verstärker 35 relativ kurz. Infolgedessen sind die Transistoren Q1 in jedem der Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c langer abgeschaltet als eingeschaltet, was den dadurch hervorgerufenen Verstärkungsgrad in jedem der Auffängerausgangskreise erhöht. Diese Erhöhung des Verstärkungsgrades stellt somit die Gleichheit zwischen der Summe der Spannungen von den verschiedenen Auffängerausgangskreisen und der Referenzspannung im wesentlichen wieder her.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen den Ausschalt- und Einschaltzeiten der Transistoren Q1 in den verschiedenen Verstärkungsgrad-Bauteilen und die dem entsprechende Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangsspannungen V1 bzw. Vo jedes der Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c. Wenn t die Ausschaltzeit des Transistors Q1 ist und T die Summe einer Ausschal tzeit und der nachfolgenden Einschaltzeit, dann ist die Ausgangsspannung Vo jedes der Verstärkungsgrad-Bauteile und

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damit die Ausgangsspannung jedes der Auffängerausgangskreise durch die Beziehung

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gegeben..

Indem die Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c von einem hochverstärkenden Summierverstärker 30 mit Gegenkopplung gesteuert sind, sind die Verstärkungsgrad-Bauteile in geeigneter Weise wie oben.beschrieben so aufgebaut, daß sie nur eine Polarität des Signals durchlassen.

Die dargestellte Anordnung ist geeignet, den Abgleich des Systems zu korrigieren, um den Effekt, der normalen Änderung der Empfindlichkeit auszuschalten, der während des'Betriebs des Gerätes zu erwarten ist. Wenn jedoch die Empfindlichkeit sich um mehr als einen gewissen Betrag ändert, oder wenn eine nicht ausreichende Menge von Probengas in der Ionisationskammer ist - beispielsweise infolge einer Drosselung am Probeneinlaß -, dann würde die Differenz zwischen der Summe der Ausgangsspannungen der Auffängerausgangskreise und der Referenzspannung größer sein als die Differenz, die durch die gewöhnliche Änderung der Empfindlichkeit, wie sie beispielsweise durch Alterung zu erwarten ist, hervorgerufen wird. Ein Ansteigen der Ausgangsspannung des Summierverstärkers 30 über einen bestimmten, durch die Bemessung des Oszillators 34 und des Verstärkers 35 gegebenen Grenzwert hinaus würde dann zu keiner weiteren Korrektur führen, da dann die Transistoren Q1 ständig gesperrt sind und die Auffängerausgangskreise mit maximalem Ver-

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stärkungsgrad arbeiten. Dieser Zustand wird dem Benutzer des Gerätes durch die Detektorschaltung angezexgt, die am Ausgang des Summierverstärkers 30 auf der rechten Seite der in Fig, 1 dargestellten Spektrometorschaltung anliegt.

Diese Detektorschaltung enthält zwei PHP-Transistoren <J2 und Q3i einen KPN-Transistor Q4 und eine üampe 40 oder eine andere elektrisch betätigte Warn- oder Signalvorrichtung· Die Transistoren Q2 und Q3» die in Form einer Spannungsteilerschaltung geschaltet sind, sind mit ihren Emittern miteinander verbunden. Beide Emitter sind über einen Widerstand R10 mit einer Spannungsquelle 41 verbunden. Der Transistor Q2 ist mit seiner Basis an den Ausgang des Summierverstärkers 50 geschaltet· Sein Kollektor ist geerdet, und der Transistor Q2 ist so vorgespannt, daß er innerhalb des normalen AusgangsspannungBbereicb.es des Verstärkers 30 eingeschaltet ist aber ausgeschaltet wird, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 30 auf einen Wert ansteigt, der, wie oben beschrieben, eine große Änderung der Empfindlichkeit des Gerätes oder eine unzureichende Menge an Probengas in der Ionisationskammer anzeigt. Die Basis des Transistors ^3 ist über einen Widerstand R11 mit der Spannungequelle 41 und über einen Widerstand E12 mit Erde verbunden. Der Kollektor des Transistors Q3 ist über einen Widerstand ΕΊ3 mit Erde und außerdem unmittelbar mit der Basis des Transistors Q4 verbunden· Per Traneistor Q4 hat seinen Emitter geerdet, und sein Kollektor let mit der Lampe 40 verbunden, die von einer Spannungpquelle 42 betätigbar ist, wenn der Transistor Q4 leitend ist. Wenn die Auegangsspannung des Verstärkere 30 innerhalb dee Bereiches ist, in welchem die Korrektur der üblichen Schwankungen der Empfindlich» keit des Gerätes erfolgt, ist der Transietor Q2 leitend· Wenn der Ausgang des Verstärkers 30 über einen vorgegebenen Wert an*

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steigt, der eine Drosselung des Probeneinlasses oder eine zu große .änderung der Empfindlichkeit anzeigt, dann wird " der Transistor Q2 gesperrt und ändert damit die Vorspannung des Transistors Q3 derart, daß der Transistor Q3 leitend wird und den Transistor Q4- einschaltet. Das schaltet die Lampe 4-0 ein und veranlaßt so den Benutzer, nach dem fehlerhaft ten Zustand zu suchen,

Das Gerät wird dadurch für den Betrieb zur Analyse und Überwachung der proportionalen Mengen der Gasbestandteile eines Gemisches eingerichtet, daß ihm ein Eeferenzgas

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zugeführt wird, welches alle interessierenden Bestandteile in bekannten Verhältnissen enthält. Die AusgängsapaiiaiiÄgen der Auffängerausgängskreise werden an den Ausgangsaeiten der Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c durch Verwendung des Schreibstreifenschreibers 27 oder eines Voltmeters gemessen. Die Spannungen in den Auffängerausgangskreisen werden dann mittels der veränderbaren Widerstände R9 in den jeweiligen Verstärkungsgrad-Bauteilen so eingestellt, daß die Spannung von jedem Verstärkungsgrad-Bäuteil dem bekannten Prozentsatz des Gasbestandteils entspricht, der durch den jeweiligen Auffängerausgangakreis gemessen wird. Somit ist das Verhältnis der Auegangsapannung des Verstärkungsgrad-Bauteils jedes Auffängefausgangskreises im justierten Zustand zu der Summe der Ausgänge der Verstärkungsgrad-Bauteile der verschieden Auffängerauagangekreiäe das gleiche wie das Verhältnis des Partialdruokes der durch den jeweiligen Auffängerausgangskreis gemessenen Gasbestandteils zu der Summe der Partialdrücke aller gemessenen Gasbestandteile. Die Widerstände H2a, b und C₁ die zwischen den Verstärkungsgrad-Bauteilen und dem Summierverstärker vorgesehen sind, sind Summierwiderstände und haben solche Werte, daß die bestehenden Verhältnisse an dem Summierverstärker erhalten bleiben. Durch diese einfache Technik werden die Spannungen der verschiedenen Auffängerausgangskreise im Verhältnis zueinander so eingestellt, dafl die Spannung an jedem von ihnenfäquivalent dem Produkt einer vorgegebenen Spannung pro Einheit Partialdruck, welche die gleiche für jeden Auffängerausgangskreis ist, und den bekannten Partialdrücken der von dem jeweiligen Auffangerausgangskrede gemessenen Gasbestandteile ist.

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Die Referenzspannung wird dann mittels des veränderten Widerstandes R4- so eingestellt, daß sie gleich der Summe der Ausgangsspannungen der verschiedenen Auffängerausgangskreise an den Ausgangsseiten der Widerstände R2a, b und c ist. Das Gerät ist dann bereit zur Analyse und zum Überwachen interessierender Bestandteile in einem Testgasgemisch von unbekannter Zusammensetzung.

Bei dem in !Fig. 1 dargestellten Gerät ist das Spektrometer eingerichtet zur Bestimmung der proportionalen Mengen von drei Gasbestandteilen eines Gemisches, beispielsweise eines Gemisches von No» Oo und COp , welche durch die Kreise von den Elektrometerverstärkern 2Ja, b bzw. c gemessen werden. Das Gerät kann natürlich zur Bestimmung der proportionalen Mengen irgendeiner gewünschten Anzahl von bestimmten Gasen in verschiedenen. _; Gasgemischen _v§jinger/£ich.t et werden, indem eine entsprechende Anzahl von Auffängerschalen 22 und einer zugehörigen Schaltung vorgesehen werden.

Das nachstehende Beispiel veranschaulicht die relativen Werte von Bestandteilen und Spannungen in einem Spektrometer, welches zur Messung der Anteile von Np, Op und COo eines Gemisches dieser Gase eingerichtet ist, und bei welchem eine Referenzprobe dieses Gemisches aus 70$ Ng» 25# Og und 5$ 00g besteht. Bei einem Gesamtdruck von 800 Torr würden die Partialdrücke der Bestandteile daher 560, 240 Torr betragen. Um die größtmöglichen Ausgangssignale von den Elektrometer- Verstärkern 23a, b und c für dieses Gemisch in dem Testspektrometer zu erhalten, sind die Gegenkapplungswiderstände R1a, b und c zu 5 (10¹⁰), 2 (1O¹¹) und 10¹² Ohm.

Die Auffängerausgangskreise wurden dann mittels der veränderbaren Widerstände R5 justiert, bis die Ausgangsspannungen der Verstärkungsgrad-Bauteile 26a, b und c 7,0, 2,5 und 0,5 Volt betrugen. Die Referenespannung wird dann so «inge-

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stellt, daß sie 10 Volt minus einen Betrag zur Kompensation des Spannungsabfalls an den Widerständen R2a, b und c erzeugt.

Massenspektrometer mit Einstellmitteln, Empfindlichkeitsregelmitteln und Detektormitteln nach der vorliegenden Erfindung sind geeignet, genau einen oder mehrere Bestandteile eines Gasgemisches zu überwachen und sind brauchbar für viele verschiedene Zwecke einschließlich beispielsweise der überwachung der Bestandteile der Atmosphäre in einem Flugzeug, einem Raumschiff oder einem Unterseeboot und der überwachung der Bestandteile eines Narkosemittels oder anderer spezieller Gasgemische, die für medizinische Zwecke verwendet werden.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   / 1.jMehrkanal-Massenspektrometer zur Bestimmung der proportionalen Mengen der Bestandteile eines Gasgemisches enthaltend Mittel zur Ionisation einer Probe des Gasgemisches, eine Mehrzahl von Auffängerelektroden zum getrennten Auffangen von Ionen der jeweils interessierenden Bestandteile und eine Mehrzahl von Auffängerausgangskreisen an den Auffängerelektroden, von denen jeder Mittel zur Erzeugung einer Spannung proportional zu dem jeweiligen Ionenstrom der aufgefangenen Ionen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit des Massenspektrometer Spannungssummiermittel (30) vorgesehen sind, die so geschaltet sind, daß sie die Spannungen von den Auffängerausgangskreisen (23a, R1a, 26a, R2a, b, c) erhalten und summieren, daß durch eine Heferenzspannungsquelle (31) eine vorgegebene Referenzspannung an die Spannungssummiermittel (30) angelegt ist, daß durch die Spannungssummiermittel (30) ein Signal proportional zu der Differenz der Summe der Spannungen der Auffängerausgangskreise (23a, R1a, 26a, R2a, b, c) und der besagten Referenzspannung erzeugbar ist und daß in allen Auffängerausgangskreisen gleichartige Verstärkungsregelmittel (26a, b, c) vorgesehen sind, welche von den Ausgangssignalen der Spannungssummiermittel (30) beaufschlagt sind und die Spannungen in den Auffängerausgangskreisen nach Maßgabe der Stärke des Ausgangssignals der Spannungssummiermittel alle um den gleichen Faktor verändern.

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2. 2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Auffängerausgangskreis zusätzliche, . unabhängig betätigbare Mittel (R9) zur Einstellung der den ßpannungssummiermitteln (30) zugeführten Ausgangsspannungen des jeweiligen Auffängerausgangskreises enthält.
3. 3. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle ein Druckwandler (31) ist, durch den eine dem Gesamtdruck der Probe des Gasgemisches proportionale Spannung erzeugbar ist.
4. 4. Massenspektrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durcli Mittel (R4-) zur Veränderung der Höhe der an den Spannungssummiermitteln (30) anliegenden Referenzspannung.
5. 5· Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsregelmittel (26a, b, c) in jedem Auffängerausgangskreis Schaltermittel (Qt) enthalten, durch welche der Auffängerausgangskreis an oder abgeschaltet wird und daß das An- und Abschalten der Schaltermittel (Q1) vom Ausgangssignal der SpannungsSummiermittel (30) gesteuert ist, indem zwischen den Spannungssummiermitteln (30) und. den Schaltermitteln (QI) eine vom Ausgangssignal der Spannungssummiermittel (30) beaufscHagte und die Schaltermittel (Q1) steuernde Schaltungsanordnung (33) vorgesehen ist, durch welche das Verhältnis der öffnungs- und Schließzeiten der Schaltermittel (Q1) nach Maßgabe der Stärke des besagten Ausgangssignals verändert ist. '
6. 6. Massenspektrometer nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Auffängerausgangskreis zwischen dem Ausgang der Schaltermittel (Q1) und den Spannungssummiermitteln (30) eine Integrierschaltung (37i R8, R9) vorgesehen ist zum Mitteln der Spannung in dem Auffängerausgangskreis zwischen dem Wert (V1) bei abgeschalteten Schaltermitteln (Q1) und der Abwesenheit von Spannung bei geöffneten Schaltermitteln.

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7. 7. Massenspektrometer nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierschaltung einen veränderbaren Widerstand (R9) als Mittel zur Einstellung der den Spannungssummiermitteln zugeführten Ausgangsspannung des jeweiligen Auffängerausgangskreises enthält.
8. 8. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Spannungssummiermittel (30) Warnsignalmittel (Q2, Q3, Q4, 40) beaufschlagt, welche ansprechen, wenn der Wert des Ausgangssignals einen vorgegebenen Wert überschreitet.
9. 9. Massenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Warnsignalmittel eine elektrische Spannungsquelle (42), einen ersten, zweiten und dritten Schalter und eine Warnvorrichtung (40) enthalten, die .durch den dritten Schalter (04) ein- und ausschaltbar ist, wenn der dritte Schalter (Q4) geschlossen bzw. geöffnet wird, daß der erste Schalter (Q2) durch das Signal der Spannungssummiermittel (30) geschlossen und geöffnet wird, wenn dieses Signal einen Wert kleiner bzw. größer als der besagte vorgegebene Wert besitzt, daß der zweite Schalter ein Transistor (Q3) ist, welcher durch den ersten Schalter (Q2) zwischen seinem, leitenden und seinem nichtleitenden Zustand schaltbar ist, wenn der erste Schalter (Q2) geöffnet bzw. geschlossen ist, und daß der Transistor (Q3) mit dem dritten Schalter (Q4) verbunden ist und durch ihn Spannungswerte von der Spannungsquelle (41) an den dritten Schalter (Q4) anlegbar sind, durch welche der dritte Schalter (Q4) geschlossen wird, wenn der Transistor (Q3) leitend ist, und geöffnet wird, wenn der Transistor (Q3) sperrt·

   10, Massenspektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Q3) ein pnp-Transistor ist, dessen Basis und Emitter über einen ersten bzw. einen zweiten Widerstand (R11 bzw. R 10) mit der Spannungsquelle (42) und dessen Basis über einen dritten Widerstand (R12) mit Erde verbunden ist, daß der erste Schalter (02) mit einer Klemme

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   zwischen dem Emitter und dem zweiten Widerstand (R1O)
   anliegt und mit seiner anderen Klemme mit Erde verbunden ist, so daß der-Emitter des Transistors (Q3) mit Erde verbunden ist, wenn der Schalter (Q2) geschlossen ist, und daß die Werte des Transistors (Q3) und der Widerstände so gewählt sind, daß der Transistor (Q3) in seinen leitenden Zustand vorgespannt ist, wenn der erste Schalter (Q2) geöffnet ist, und in seinen nichtleitenden Zustand vorgespannt ist, wenn der erste Schalter (Q2) geschlossen ist.

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