DE2604249A1

DE2604249A1 - Spektrometrisches analysegeraet

Info

Publication number: DE2604249A1
Application number: DE19762604249
Authority: DE
Inventors: Bruce Noble Colby; Charles William Hull; Thomas Wilson Whitehead
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1975-02-13
Filing date: 1976-02-04
Publication date: 1976-08-26
Also published as: IT1055252B; FR2301090A1; GB1509697A; CH616275A5; JPS51119288A; CA1052913A; CH615532A5; SE7601586L; FR2301090B1; US4016421A

Description

26042A9

VON KREISLER SCHÖNWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE

Anmelderin Dr.-Ing. von Kieisler + 1973

E. I. DU PONT DE MMOURS Dr.-Ing. K Schön^ld Köm

AKD COMPANY °^r- "» 1\^Γύ η I , < a

Dr.-Ing. K. V/. Eishold, BoJ Soden

Wilmington, State of Delaware, Dr. J. F. Fui-s, Köln

{j S.A Dipl.-Chem. Aluk von Krt.-islyr, Köln

Dipl.-Chem. Carola Kelk-r, Köln Dipl.-Ing. G. Selling, Köln

SgIs 5 Köln ι 15· Jan. 1976

DFJCII.VANNi-iAUS AM HALJPTL-AHiJHOF

Spektrometrisches Analysegerät

Die Erfindung betrifft ein spektrometrisches Analysegerät mit einer Ionenstrahlquelle variabler Energie, die mehrere Elektroden zur Strahlbeeinflussung entlang des Ionenstrahlweges aufweist, mit einem Gaseinlaß zum Einführen von Gas in den Ionenbildungsbereich und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls in dem Ionenbildungsbereich.

Als Analysegeräte v/erden sowohl Gaschromatografen als auch Massenspektrometer eingesetzt. Es ist auch seit langem bekannt, da3 ein leistungsfähiges Analysegerät durch Kombination dieser beiden Instrumente entsteht. Gaschromatografen arbeiten jedoch im allgemeinen bei atmosphärischem Druck, während Massenspektrometer bei einem stark reduzierten Druck betrieben v/erden. Um diesen Verhältnissen Rechnung zu tragen muß eine Verbindungseinrichtung vorgesehen werden, die den Druck des den Gaschromatografen verlassenden Probengases vor seinem Eintritt in das Massenspektrometer reduziert. Da ferner Gaschromatografen so arbeiten, daß eine geringe Menge an Probengas unter Verwendung einer großen Menge an

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Trägergas eine Säule durchströmt, muß eine Möglichkeit gefunden werden, die Konzentration des Probengases gegenüber dem Trägergas anzureichern, bevor die Gasmischung ein Massenspektrometer erreicht. Findet diese Anreicherung nicht statt, so wird die Empfindlichkeit des Massenspektrometer s herabgesetzt.

Ein Gaschromatograf trennt die verschiedenen Komponenten des Probengases, so daß die Zusammensetzung des den Chrornatografen verlassenden Gases sich mit der Zeit ändert. Infolge der kontinuierlichen Änderung der Zusammensetzung des Gasstromes, der das Massenspektrometer erreicht, muß ein jedes Massenspektrometer, das in Verbindung mit einem Gaschromatografen arbeiten soll, so ausgebildet sein, daß es das Massenspektrum schnell durchläuft, so daß die änderung der Zusammensetzung des den Chromatografen verlassenden Gases meßtechnisch erfaßt wird. Für Massenspektrometer, die mit einem magnetischen Sektor arbeiten, kann die Massenuntersuchung entweder durchgeführt werden, indem das Magnetfeld verändert wird oder indem man die Energie des Ionenstrahls verändert. Eine Veränderung des Magnetfeldes ist jedoch ein vergleichsweise langsamer Prozeß, so daß eine Veränderung der Energie des Ionenstrahls vorteilhafter ist.

Die bekannten magnetischen Massenspektrometer stellen massive Konstruktionen dar, bei denen der gesamte Ionenstrahl einschließlich der Ionenstrahlquelle in dem Magnetfeld untergebracht ist. Die große Menge an Metall, die erforderlich ist, um ein solches Magnetfeld zu erzeugen, ist unwirtschaftlich, so daß in den letzten Jahren die Abmessungen des Magneten so weit verringert wurden, daß nur ein kleines Segment des Ionenstrahlweges tatsächlich zwischen

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den Polen des Magneten hindurchführt. Mindestens für solche Fälle, in denen die Ionenstrahlquelle außerhalb der analysierenden Magnetpole liegt, wurde keine zufriedenstellende Lösung zur Erzeugung eines Ionenstrahls durch Veränderung des Potentials der Ionenstrahlquelle gefunden. Man kann solche Quellen erzeugen, wenn die Energie des Strahls nur über einen kleinen Energiebereich verändert wird, wenn jedoch die Energie des Strahls über einen großen Energiebereich verändert werden muß, um einen großen Bereich des Massenspektrums zu erfassen, konnte man bisher keine zufriedenstellende Fokussierung des Ionenstrahls erhalten. Eine Fokussierung ist zwar bei einer bestimmten Energie möglich, jedoch ändert sich der Fokus des Ionenstrahls mit der Energie, so daß der Ionenstrahl evtl. sogar ausgelöscht wird.

Außerdem treten in einem analytischen System, bei dem ein Gaschromatograf mit einem Massenspektrometer kombiniert wird, eine Reihe zusätzlicher Probleme auf, wenn eine Ionenquelle variabler Energie verwendet wird. Da Vorkehrungen getroffen werden müssen, um den Druck in dem Zwischenbereich zwischen dem Gaschromatografen und dem Massenspektrometer von etwa atmosphärischem Druck im Chromatografen bis auf etwa 0,001 Torr in der Ionenquelle zu verringern, muß der Druck im Zwischenbereich eine Zone durchlaufen, die ideal für Gasentladungen geeignet ist. Hierin liegt eine der Schwierigkeiten, denn diese Zone reduzierten Druckes erzeugt, wenn sie mit der hohen Energie der Ionenquelle verbunden wird, eine Gasentladung in der Verbindungsleitung. Aus naheliegenden Gründen darf dies nicht geschehen.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Analysegerät der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Massenspektralbereich durch Veränderung der Energie der Ionenquelle durchlaufen werden kann, ohne daß die oben erwähnten Nachteile der Defokussierung und der unbeabsichtigten Entladung auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in der Nähe des Ionenbildungsbereiches eine Reflektorelektrode angeordnet ist, und daß entlang des Ionenstrahlweges eine erste Ausrichtelektrode geringer Energie angeordnet ist, die einen Richtschlitz aufweist und zusammen mit der Reflektorelektrode den Ionenbildungsbereich begrenzt, daß hinter der ersten Ausrichtelektrode eine zweite Ausrichtelektrode hoher Energie angeordnet ist, die ebenfalls einen Richtschlitz aufweist, daß hinter der zweiten Ausrichtelektrode eine Eintrittselektrode mit einem Eintrittsschlitz angeordnet ist, und daß die Reflektorelektrode auf einem konstanten Potential gegenüber der ersten Ausrichtelektrode liegt, wahrend die zweite Ausrichtelektrode an einem Potential liegt, das negativer als dasjenige der ersten Ausrichtelektrode und proportional zu diesem ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungform der Erfindung ist eine fünfte Elektrode vorhanden, die als Extraktionselektrode bezeichnet wird. Diese Elektrode besitzt einen Schlitz und befindet sich in der Ionenquelle zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode. Bei dieser Ausführungsform wird das Potential der Extraktionselektrode gegenüber dem Potential der Eintrittselektrode verändert. Die erste Ausrichtelektrode wird gegenüber der Extraktionselektrode auf einem konstanten positiven Potential gehal-

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c;

ten, und die zweite Austrittselektrode wird auf einem Potential gehalten, das negativer ist als dasjenige der
Extraktionselektrode, jedoch proportional zu diesem.

Bei einer noch günstigeren Ausführungsform enthält die Ionenstrahlquelle ein Gehäuse mit einem Hohlraum,in dem die Reflektorelektrode und die erste Ausrichtelektrode angeordnet sind. Das Gehäuse wird gegenüber der ersten Ausrichtelektrode auf positiven Potential gehalten»

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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Analysegerätes, das einen Gaschromatografen, ein Massenspektrometer sowie eine den Gaschromatografen mit dem Massenspektrometer verbindende Verbindungseinrichtung enthält.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Digramm einer Trenn- und Eicheinheit, die in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Analysegerät verwendet werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt eines Teiles der Verbindungseinrichtung, die den Gaschromatografen mit.dem Massenspektrometer verbindet, einschließlich einer Längsschnittdarstellung des Massenspektrometers selbst.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung und der Ionenstrahlquelle zur Schaffung eines Weges für das Probengas in den Ionenbildungsbereich der Ionenstrahlquelle.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Ausführungsform der Ionenstrahlquelle nach der Erfindung, von oben gesehen,

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt der Ionenstrahlquelle nach Fig. 5.» von der Seite gesehen,

Fig. 7 zeigt eine detailliertere Längsschnittsdarstellung eines Teiles der Ionenstrahlquelle nach Fig. 5* von oben gesehen,

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Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung, die zur Programmierung der Massenuntersuchungen des in Fig. J dargestellten Gerätes verwendet werden kann.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Systems, mit dem der Betrieb des in Fig. J5 dargestellten Gerätes in geregelter Form verändert werden kann,

Fig. 10 zeigt eine Kurve des Ausgangssignals des Analysegerätes nach Fig. J>, wobei sowohl das Massenspektrum eines fiktiven Gases als auch eine Massenanzeigekurve dargestellt sind, und

Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht einer Steuer- und Überwachungstafel, die in Verbindung mit dem in Fig. 3 dargestellten Analysator verwendet werden kann.

Gemäß Fig. 1 ist ein Gaschromatograf 11 vorgesehen, der eine chromatografisehe Säule 12, einen Gaseinlaß 13 und einen Gasauslaß 14 aufweist. Die Säule, der Einlaß und der Auslaß sind von bekannter Konstruktion und Fachleuten geläufig. Im einzelnen kann die Säule eine Glassäule sein, die mit einem konventionellen chromatografischen Packungsmaterial gefüllt ist,und als Einlaß kann ein konventionelles Injektionssystem dienen. Normalerweise sind die Säule, der Einlaß und der Auslaß in einem generell mit 15 bezeichneten Ofen untergebracht, der ebenfalls von bekannter Konstruktion ist, und die Temperatur des Gaschromatografen kann geregelt und gewünschtenfalls verändert v/erden.

Der Gaschromatograf 11 ist über eine Verbindungseinrichtung 17 (interface) mit einem Massenspektrometer 16 verbunden.

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Das Massenspektrometer 16 enthält eine Ionenstrahlquelle Ib, deren Leistung einstellbar ist, einen magnetischen Sektor 19 und einen Detektor 20. Die Verbindungseinrichtung 17 enthält eine elektrisch nicht leitende Verbindungsleitung 21 mit einer Drosselstelle 22 und einen Probengasanreicherer 23. Die Verbindungsleitung 21 ist normalerweise ein Glasrohr, das an einem Ende mit dem Gasauslaß des Chromatografen 11 und am anderen Ende mit der Ionenstrahlquelle 18 des Massenspektrometers 16 verbunden ist. Die Drossel 22 ist im allgemeinen eine Spule aus Kapillarrohr, die so ausgebildet ist, daß in der Verbindungsleitung zwischen dem Gaschromatografen und dem Massenspektrometer ein Druckabfall erzeugt wird.

Gaschromatografen arbeiten generell bei ungefähr einer Atmosphäre, wogegen der Druck in der Ionenquelle des Massenspektrometers charachteristischerweise etwa 0,001 Torr beträgt. Die Abmessungen der Drossel sind so gewählt, daß in Verbindung mit den Abmessungen des Probengasanreicherers 23 in der Ionenstrahlquelle der gewünschte Druck entsteht. Eine derartige Auslegung ist für Fachleute der Gastechnik ohne v/eiteres möglich.

Bei der gaschromatischen Trennung wird ein Trägergas eingesetzt, welches ein Probengas durch eine ein Trennmedium enthaltende Säule treibt. Bei dem Trägergas handelt es sich im allgemeinen um ein Inertgas, wie Helium. Hat das Trägergas die Probe durch die chromatografieehe Säule "getragen", so ist seine Punktion erfüllt und seine weitere Anwesenheit in hohen Konzentrationen beeinträchtigt die Identifizierung der verschiedenen Probenbestandteile durch das Massenspektrometer. Die Punktion des

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Probengasanreicherers 23 besteht darin, die Konzentration der Probe in dem in die Ionenstrahlquelle eintretenden Gas gegenüber dem Träger anzureichern. Derartige Gasanreicherer sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Im folgenden wird eine bestimmte Einrichtung, die als "jet separator" bekannt ist, beschrieben. Derartige Geräte sind generell so konstruiert, daß von dem Probengas soviel wie möglich durch den verbleibenden Teil der Verbindungsleitungen zur Ionenstrahlquelle gelangt, während der größte Teil des Trägergases mit einer Vakuumpumpe 2'Λ abgepumpt wird.

Massenspektrometer sind empfindlich gegen Luftverschmutzung. Daher muß ein zusätzliches System vorgesehen sein, das es ermöglicht, die chromatografische Säule zu entfernen, ohne daß das Massenspektrometer verschmutzt wird. Ferner sollte das Massenspektrometer von Zeit zu Zeit geeicht werden. Diese beiden Funktionen werden von einer Trenn- und Eicheinheit 25 wahrgenommen, die über ein T-Stück 2β an die Zwischenleitung 21 angeschlossen und in detaillierterer Form in Fig. 2 abgebildet ist.

Die Trenn- und Eicheinheit 25 enthält eine unter Druck stehende Inertgasquelle 27, die beispielsweise Helium enthält und durch eine Inertgasleitung 28 und das T-Stück 26 mit der Zwischenleitung 21 verbunden ist. Ferner sind ein Absperrventil 29 und ein geregelter Druckminderer 30 vorgesehen. Vor dem Abtrennen der chromatografischen Säule am Gasauslaß 14 wird das Ventil 29 geöffnet, so daß das Inertgas von der Quelle 27 in die Verbindungsleitung 21 einströmt und verhindert, daß das Massenspektrometer durch Luft verschmutzt wird. Zusätzlich enthält das Trenn- und Eichsystem 25 ein mit der Inertgasleitung 28 verbundenes

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parallel zum Ventil 29 geschaltetes und von diesem durch zwei Ventile 32 und 33 getrenntes Halterohr. Die Parallelleitung kann ferner eine Druckregelungsdrossel 34 enthalten, die den Gasstrom durch diese Leitung regelt. An das Halterehr 31 ist über ein Ventil 36 eine Eichgasquelle angeschlossen. Ferner ist eine Ablaßleitung 37 mit zugehörigem Ventil 38 vorgesehen. Die Ventile sind normalerweise durch Fernbetätigung zu schalten, die Leitungen bestehen generell aus Glas oder aus Edelstahl und die Drosseln'sind generell Kapillarspulen.

Zur Eichung des Massenspektrometers kann jedes beliebige Gas mit bekanntem Massenspektrum verwendet werden. Ein derartiges Gas ist beispielsweise das als FC-43 bekannte Fluorocarbon. Bei geschlossenen Ventilen 32 und 33 wird das Halterohr mit dem Eichgas gefüllt, indem das Ventil 36 geöffnet und das Ventil 38 geschlossen wird. Danach wird Ventil 36 geschlossen, um das Eichgas in dem Halterohr 31 zu isolieren, Ventil 29 wird geschlossen und die Ventile 32 und 33 werden geöffnet. Das von der Quelle 27 kommende Inertgas wirkt als Träger und treibt das Eichgas in genau derselben Weise in das Massenspektrometer wie das chromatografische Trägergas das Probengas hineintreibt. Die Abmessungen des Halterohres und der Verbindungsleitungen sind so gewählt, daß das Eichgas das Massenspektrometer in der richtigen Konzentration erreicht. Eine entsprechende Bemessung ist für Fachleute durchführbar.

Der verbleibende Bereich der Verbindungsleitung 21 ist in den Fig. 3 und 4 abgebildet. In Fig. 3 führt die Verbindungsleitung 21 zu dem Gasanreicherer 23, der in der dargestellten Ausführungsform als Jet-Separator ausgebildet

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ist. Der Jet-Separator enthält eine Hauptdüse 39 und eine Scheidedüse 40, die gegeneinander gerichtet sind, voneinander jedoch getrennt sind, so daß zwischen ihnen ein Trennbereich 4l gebildet wird. Bei dem Trägergas handelt es sich normalerweise um ein leichtes Gas, wie z.B. Helium. Wenn die die Verbindungsleitung 21 durchströmende Probe und das Trägergas den Trennbereich 4l erreichen, neigt das schwerere Probengas dazu, seine Vorwärtsbewegung beizubehalten und durch das Loch in der Scheidedüse 40 hindurchzuströmen. Das leichtere Trägergas hat dagegen die Neigung, aus dem Trennbereich 41 radial nach außen abzubiegen und gelangt in den umschlossenen Raum 42. Dieser Raum wird mit einer nicht- dargestellten Vakuumpumpe evakuiert, die an die Leitung 4j5 angeschlossen ist.

Wie Fig. 3 zeigt,ist die Scheidedüse 4o an die Ionenstrahlquelle 18 des Massenspektrometers angeschlossen. Eine kompliziertere Verbindung wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine InjektIonsöffnung 44 für ein Hilfsprobengas vorgesehen, so daß Probengas von anderen Quellen als dem Gaschromatografen in das Massenspektrometer eingeleitet werden kann.

Die Ionenstrahlquelle für das Massenspektrometer ist in einer evakuierten Kammer innerhalb des Behälters 45 enthalten. Der Behälter 45 wird normalerweise auf Erdpotential gehalten und mit einer nicht dargestellten Diffusionspumpe, die über eine Leitung 46 an die Kammer angeschlossen ist, evakuiert. Schließlich ist die Verbindungskonstruktion in einem nicht dargestellten Ofen untergebracht, an dem die Temperatur des Jet-Separators geregelt v/erden kann.

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Die generell mit 47 bezeichnete Ionenstrahlquelle ist in den Fig. 5 j 6 und 7 ausführlicher dargestellt. Sie besteht aus einem Gehäuse 48, das einen Hohlraum 49 sowie mehrere Elektroden enthält. Unter den Elektroden befindet sich eine Reflektorelektrode 50 und eine erste Ausrichtelektrode geringer Energie mit einem ersten Ausrichtschlitz 51. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die erste Ausrichtelektrode zwei Platten 52, 53> die zueinander ausgerichtet sind und zwischen sich den ersten Ausrichtschlitz 51 bilden. Die erste Ausrichtelektrode und die Reflektorelektrode sind so zueinander angeordnet, daß zwischen ihnen der Ionenbildungsbereich R gebildet wird.

Die Ionenstrahlungsquelle enthält ferner eine Extraktionselektrode 54 mit einem Extraktionsschlitz 55* eine zweite Ausrichtelektrode hoher Energie mit einem zweiten Ausrichtschlitz 56 und eine Eintrittselektrode 57 mit einem Eintrittsschlitz 58. Ebenso wie die erste Ausrichtelektrode enthält die zweite Ausrichtelektrode bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Platten 59 und 60, zwischen denen sich der Ausrichtschlitz 56 befindet. Die Extraktionselektrode 5^ ist jedoch eine einzige Platte.

Diese fünf Elektroden sind hintereinander angeordnet, wobei die Reflektorelektrode und die erste Ausrichtelektrode in dem Hohlraum des Gehäuses 48 untergebracht sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Elektroden planparallel, jedoch können auch andere Arten von Ionenstrahloptiken benutzt werden. Ferner kann die Ionenstrahlquelle auch ohne die Extraktionselektrode betrieben werden. Das Gehäuse und die Elektroden sind sämtlich aus geeigneten Metallen hergestellt, beispielsweise aus nicht

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magnetischem Edelstahl oder aus Nichrome V.

Die Ionenstrahlquelle und sämtliche Elektroden mit Ausnahme der Eintrittselektrode sind an einem Haltestab 61 befestigt, der an einem Drehknopf 62 angebracht ist, welcher vakuumdicht mit dem Behälter 45 verbunden 1st. V/ie Fig. 3 zeigt besitzt der Drehknopf 62 ebenfalls mehrere Stifte 63, die über Drähte 64 mit den Elektroden der Ionenstrahlquelle verbunden sind. Der Eintrittsschlitz 57 wird unter Verwendung eines Stützblockes 65 und eines Kernes 66,dessen Zweck nachfolgend erläutert wird, separat von dem Gehäuse 45 getragen. Zusammen mit dem Gehäuse wird er auf Erdpotential gehalten.

Die Ionenstrahlquelle besitzt ferner einen Einlaß zum Einführen von Gas in dem Ionenbildungsraum. Dieser Einlaß führt letztlich in eine Leitung 67 des Gehäuses 48. Diese Einlaßleitung 51 verbindet in ihrer in Fig. 3 abgebildeten einfachsten Form die Scheidedüse 40 mit dem restlichen Teil der Verbindungsleitung 21. Da der größte Teil der Verbindungsleitung und des Anreicherers für das Probengas aus Glas besteht, müssen in dem Bereich 68 einige Metall/Glas-Übergänge vorhanden sein.

Schließlich enthält die Ionenquelle einige Einrichtungen zur Bildung eines Elektronenstrahls in dem Ionenbildungsbereich. Zu diesem Zweck können die in der Ionenoptik bekannten Strahlerzeugungseinrichtungen eingesetzt werden. Eine Ionenkanone würde sich eignen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Bildung des Elektronenstrahls jedoch lediglich eine Elektrode 69 verwandt. Das Gehäuse besitzt eine Elektronenstrahlöffnung, die bei dem Ausfüh-

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rungsbeispiel nach Fig. 6 dadurch gebildet ist, daß in dem Gehäuse 48 eine Öffnung 70 vorgesehen ist, die mit einer Platte 71, in der sich die Elektronenöffnung J2 befindet, bedeckt ist. Der Elektronenstrahl 73 wird dadurch gebildet, daß die Elektrode 69 an ein gegenüber dem Gehäuse 48 negatives Potential gelegt wird. Dieser Strahl endet in einer durch eine Öffnung 74 und eine Platte 75 in dem Gehäuse 48 gebildeten Senke. Schließlich ist eine Kappe J6 oberhalb der Elektrode 69 angeordnet. Bei der dargestellten Konstruktion reicht ein Potential von 70 V zwischen der Elektrode 69 und dem Gehäuse 48 zur Erzeugung des gewünschten Elektronenstrahls aus.

Es empfiehlt SiCh₇ eine Einrichtung vorzusehen, die in dem Ionenbildungsbereich parallel zur Längsachse des Elektronenstrahls ein Magnetfeld erzeugt. Hierdurch wird der Elektronenstrahl begrenzt und stabilisiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Magnetfeld durch zwei Permanentmagnete 80 und 81 erzeugt, deren Pole von dem Kern 66 in bezug auf das Gehäuse 48 gehalten werden, und das gewünschte Magnetfeld in dem Ionenbildungsbereich erzeugen. Zur Erzielung des gewünschten Effektes reicht ein Feld von 500 Gauss aß.

Bei der Ionenstrahlquelle der vorliegenden Erfindung ist die Leistung veränderbar. Im folgenden wird erörtert, in welcher Weise die Leistungsveränderung zur Erzielung eines Ionenstrahles variabler Energie erfolgt, jedoch genügt es, im gegenwärtigen Augenblick festzustellen, daß ein derartiger Ionenstrahl mit variabler Energie erzeugt wird, und daß das Potential der Elektroden von einem niedrigen Wert zu einem hohen Wert variiert werden muß. Bei der in Fig. 5

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dargestellten Vorrichtung führt eine Veränderung der Energie von einem geringen Wert von 540 V zu einem hohen Wert von 12.000 V zu einer Verschiebung der mit der Vorrichtung nachweisbaren Massen von 999 atomischen Masseneinheiten (AMU) bis zu 43 AMU.

Der Einsatz eines Magnetfeldes in Verbindung mit der Ionenstrahlquelle schafft eine ideale Umgebung für gefangene Ladungen in dem Bereich um die Magnetpole. Die hohe Energie der Ionenstrahlquelle verursacht eine Entladung dieser gefangenen Ladungen nach Erde. Diese ungewollten und schädlichen Entladungen können eliminiert werden, wenn die Ionenquelle mit elektrischen Leitern versehen ist, die in den Bereich der gefangenen Ladungen hineinragen und die gefangenen Ladungen nach Masse ableiten. Es wurde beobachtet, daß die gefangenen Ladungen einen ringförmigen Bereich um jeden der Pole herum bilden, und daß die aus leitfähiger Folie bestehenden konischen Kappen 82 und 83, die in bezug auf die Polstücke 80 in der in Fig.6 dargestellten V/eise angeordnet sind, die Wirkung haben, daß sie den Bereich der gefangenen Ladungen abschneiden und, wenn sie geerdet sind, die Ladung nach Erde ableiten, bevor sich ein entladungsfähiges Potential aufgebaut hat.

Ferner ist es vorteilhaft, die Temperatur der Ionenstrahlquelle sorgfältig zu regulieren. Zu diesem Zweck ist an dem Gehäuse 48 eine Heizvorrichtung 84 vorgesehen.

Eine detailliertere Darstellung der Ionenstrahlquelle der Fig. 3 findet sich in Fig. 7. In dieser Figur sind das Gehäuse, Elektroden, Schlitze und Einlaßleitung sämtlich mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den anderen

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Darstellungen, jedoch sind der Elektrodenanschluß und die Elektrodenabstützung detaillierter dargestellt. Sämtliche Elektroden mit Ausnahme der Eintrittselektrode werden durch mehrere Stützstangen von dem Gehäuse getragen. Über diese Stützstangen erfolgt auch die elektrische Verbindung zu den Elektroden. Wie Fig. 7 zeigt, ist die Reflektorelektrode eine flache Platte 50, die an einer über eine Teillänge mit Schraubgewinde versehenen Stange 90 befestigt ist, welche durch einen Kanal 91 des Gehäuses 48 hindurchragt. Die Stange 90 ist mit dem Reflektor 50 verschweißt, jedoch können auch andere Verbindungstechniken angewandt werden. Die Stange 90 schafft die elektrische Verbindung zum Reflektor 50 und ist durch zwei Isolierscheiben 92 und 93* die aus einem beliebigen Isoliermaterial, z.B. Saphir, bestehen können, isoliert. Diese beiden Scheiben sitzen in ringförmigen Ausnehmungen des Kanals 91· Gegen die Scheibe 93 drückt eine Metallscheibe 94, die durch eine Mutter gesichert ist. Die Mutter 95 ist auf das Gewindeende der Schraube a.ufgeschraubt.

Jede der die erste Ausrichtelektrode bildenden Metallplatten 52 und 93 wird in ähnlicher Weise durch Stangen 100 und gehalten. Für eine feste elektrische Verbindung zwischen diesen Stangen und den jeweiligen Platten sorgen jeweils Schweißverbindungen. Die Stange 100 führt durch den Kanal

102 im Gehäuse 48 und die Stange 101 führt durch den Kanal

103 im Gehäuse 46. Wie bei der Reflektorelektrode ist jede der Platten der ersten Ausrichtelektrode von dem Gehäuse durch zwei Isolierscheiben 104, 105 bzw. 106, 107 isoliert, die in ringförmigen Ausnehmungen des Gehäuses 48 liegen. Die Stangen werden durch Unterlegscheiben 108 und 109 und Muttern 110 und 111, die jeweils auf ihre Gewindeenden auf-

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geschraubt sind, relativ zum Gehäuse 48 in Stellung gehalten. Bei Verwendung unterschiedlich versetzter Scheiben oder vergrößerter ringförmiger Ausnehmungen können die Platten 52 und 53 relativ zueinander bewegt werden. Hierdurch erreicht man eine gewisse Freiheit bei der Fokussierung des Ionenstrahls.

In ähnlicher V/eise sind sowohl die Extraktionselektrode als auch die Platten 59 und 60 der zweiten Ausrichtelektrode mittels Stangen 120 und 121 am Gehäuse 48 befestigt. Im einzelnen wird die Extraktionselektrode 54 von Stangen 120 und 121 gehalten, wobei der elektrische Kontakt aber nur über die Stange 120 hergestellt wird. Die Platte 60 der zweiten Ausrichtelektrode wird ebenfalls von der Stange 120, mit der sie auch elektrisch verbunden ist, gehalten. Die Platte 59 der zweiten Ausrichtelektrode wird von der Stange 121 gehalten, ist jedoch elektrisch mit einer zweiten, nicht dargestellten Stange verbunden, die sich hinter der Stange 121 befindet und die in gleicher Weise mit der Platte verbunden ist, wie die Stange 120 mit der Platte 60. Die Platte 59 ist direkt an die Stange 121 angeschweißt, die durch einen Kanal 122 der Extraktionselektrode 54 und einen Kanal 123 des Gehäuses 48 hindurchragt. Zum Abstandhalten zwischen der Platte 59 und der Elektrode 54 sowie zur Isolierung der Stange 121 gegenüber der Elektrode 54 dienen vier elektrisch isolierende Scheiben 124, 125, 126 bzw. 127. Um diese Anordnung an dem Gehäuse 48 zu befestigen, ist eine Metallscheibe 128 und eine Mutter 129 vorgesehen, die auf das Gewindeende der Stange 121 aufgeschraubt ist. Die Platte 6o wird von der Stange 121^tragen, ist jedoch elektrisch von ihr durch Isolierscheiben I30 und Ij51 getrennt. Zur Bewirkung der Abstützung,ohne die Platte 60 an der Stage

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anschweißen zu müssen, besitzt die Stange 120 eine T-formige Kappe, die an der Scheibe I30 angreift. Die Stange 120 führt durch den Kanal I37 in Platte 60 und den Kanal I38 im Gehäuse 48 hindurch. Die Isolierscheiben I3I und I32 halten den Abstand zwischen der Platte 60 und der Elektrode 54, und die Stange 120 ist direkt mit der Elektrode 54 verbunden. Schließlich ist die Stange 120 vom Gehäuse 48 durch Isolierscheiben I33 und 134 isoliert. Die Unterlegscheibe I35 und die Mutter 136, die auf das Gewindeende der Stange 120 aufgeschraubt ist, vervollständigen den Befestigungsmechanismus. Hinter den in dieser Figur im Schnitt dargestellten Stangen befindet sich ein komplementärer Stangensatz, der ebenfalls zur Schaffung von mechanischem Halt und elektrischer Verbindung für die Elektroden dient. Die Platten 52, 53* 59 und 60 werden von zwei Stangen getragen, die Extrationselektrode 54 wird von vier Stangen getragen, und die Reflektinselektrode 50 wird von zwei Stangen getragen. Der elektrische Anschluß der Elektroden kann über diese Stangen oder durch mit den Elektroden verbundene separate Drähte erfolgen.

Im Gegensatz zu den Elektrodenabständen und den Schlitzbreiten sind die Abmessungen der Ionenstrahlquelle nicht kritisch. Der Abstand dieser Elektroden und die Schlitzbreite sind in Tabelle I angegeben, wobei "a" den Abstand zwischen der Reflektionselektrode und dem Elektronenstrahl, "b" den Abstand zwischen der ersten Ausrichtelektrode und dem Elektronenstrahl, "c" den Abstand zwischen der Extraktionselektrode und dem Elektronenstrahl, "d" den Abstand zwischen der zweiten Ausrichtelektrode und dem Elektronenstrahl, und "e" den Abstand zviischen der Eintrittselektrode und dem Elektronenstrahl darstellt.

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Abstand (mm)

a 1,27

b 1,73

c 6,1

d 9,1

e 20,0

Tabelle I

Schlitz

erste Ausrichtelektrode
Extraktorelektrode
zweite Ausrichtelektrode
Eintrittselektrode

Breite (mm)

1,27 1,27 1,27 0,76

An dem Gehäuse 48 ist mit einer Gewindebefestigung I50 ein kugelförmiges Anschlüßstück I5I montiert. Durch dieses Anschlußstück und den Gewindeteil hindurch führt ein Kanal 152, der mit dem Einlaßkanal 5I des Gehäuses 48 in Verbindung steht. Durch diesen Weg wird das das kugelförmige Anschlußstück durchströmende Probengas direkt in den Ionenbildungsbereich eingeführt. Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Möglichkeit des Anschlusses der Verbindungsleitung 21 an die Ionenstrahlquelle durch das kugelförmige Verbindungsstück 151, wobei ein Anschlußrohr 153, dessen Zweck noch erläutert wird, auf das kugelförmige Verbindungsstück I5I aufgeschraubt ist. Innerhalb des Rohres I53 befindet sich eine federgespannte Anordnung mit zwei Paßstücken 154 und I55. Ein Ende des Paßstückes 154 ist gekrümmt und paßt sich dem kugelförmigen Verbindungsstück I5I an, und ein Ende des Paßstückes 155 ist gekrümmt und paßt sich dem abgerundeten Ende eines Glasrohres 21 an. Das andere Ende des Paßstückes 155 gleitet in einer Bohrung des Paßstückes und die beiden Paßstücke werden durch eine Feder I56 auseinandergehalten. Schließlich sind die Paßstücke 154 und

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155 in dem Rohr 153 in Kontakt mit dem Kugelpaßstück I5I durch zwei Gleitringe 157 und I58 gehalten. Wenn der Gasanreicherer 23 durch Anschluß seiner Glaswände an die Metallwand des Behälters 45 mit der Ionenstrahlquelle 18 verbunden wird, paßt sich das Ende der Verbindungskupplung 21 in.die Ausnehmung des Paßstückes 155 ein, so daß die innere Leitung im Rohr 21 mit den Leitungen I57 und I58 in den Paßstücken 154 bzw. I55 in Eingriff steht. Auf diese Weise wird ein Gasweg zwischen dem Probengasanreicherer 2^ und dem Ionenbildungsbereich R geschaffen.

Wie oben schon erläutert wurde, ist die Ionenstrahlquelle so konstruiert, daß sie einen Ionenstrahl mit variabler Energie erzeugt. Dies wird erreicht, indem, das Potential der Ionenstrahlquelle zwischen einem geringen Wert bis auf ein Potential, das oberhalb 12.000 V liegt, variiert wird. Ferner arbeitet die Ionenquelle bei einem Druck von 0,001 Torr, obwohl eine gaschromatografische Säule bei einem Druck von etwa 1 Atmosphäre betrieben wird. Der Druck des Trägergases und des Probengases in der Verbindungsleitung 21 wird ausgehend von annähernd atmosphärischem Druck bis auf etwa 0,001 Torr reduziert. In dem Probengasanreicherer beträgt der Druck etwa 0,1 Torr. Dieser Druckabfall wird durch verschiedene Pumpen erzielt, die auf den Jet-Separator über Leitung 4j und auf die Ionenquelle über den Kanal 46 einwirken. Da der Gasdruck in der Zwischenleitung zwischen 1 Atmosphäre und etwa 0,001 Torr beträgt, durchläuft er auch einen Druckbereich, der für eine Gasentladung ideal geeignet ist. Wenn die zur Evakuierung des Jet-Separators verwendete Pumpe an Erdpotential liegt und wenn an der Ionenquelle ein Potential liegt, das bis auf 12.000 V veränderbar ist, besteht die Gefahr, daß die gesamte Lei-

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tung von der Pumpe durch den Jet-Separator bis zur Ionenquelle sich wie ein Leuchtröhrenzeichen verhält. Diese Neigung kann unterbunden werden, indem das Potential der Pumpe und der betreffenden Teile der Verbindungsleitung erhöht wird, wenn der Druck bis auf den Druck der Ionenstrahlquelle reduziert ist. Um dies zu erreichen, ist die Pumpe selbst elektrisch mit der Ionenstrahlquelle verbunden und die von dem Bereich 42 zur Pumpe führende Leitung 43 ist von einem leitfähigen Mantel 201 umgeben, der ebenfalls mit der Ionenstrahlquelle verbunden ist. Zusätzlich hierzu ist in dem Bereich 4l ein Drahtschirm 202 angebracht, der die Düse 39 von der Scheidedüse 4o des Jet-Separators trennt und dieser Drahtschirm ist über Leitung 203 elektrisch mit der Ionenstrahlquelle verbunden. Schließlich ist von der von der Scheidedüse 40 zur Ionenstrahlquelle führenden Verbindungsleitung 21 soviel wie möglich in einem elektrisch leitfähigen Medium, das ebenfalls elektrisch mit der Ionenstrahlquelle verbunden ist, abgeschirmt. Bei der in Fig. 4 abgebildeten Ausführungsform ist der leitfähige Mantel 204 das Rohr 153, das in Gewindeeingriff mit dem kugelförmigen Anschlußstück I5I steht.

Bevor die elektrischen Anschlüsse zu den Elektroden der Ionenstrahlquelle behandelt werden, wird nachfolgend der restliche Teil des Massenspektrometers beschrieben. Der magnetische Sektor I9 des Massenspektrometers 16 besteht aus einem Pfad zwischen der Eintrittselektrode 57» die dis Ionenstrahlquelle von dem magnetischen Sektor trennt, und einem weiteren Schlitz 210, der nachfolgend als Αμε-trittsschlitz bezeichnet wird und der den magnetischen Sektor von dem Detektor trennt. Diese beiden Schlitze sind durch ein Rohr 211 getrennt, das mit einer nicht gezeichneten Diffusionspumpe evakuiert wird, die an das Rohr 211

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über eine Leitung 212 angeschlossen ist. Ein Abschnitt des Rohres 211 läuft zwischen den Polen eines Magneten hindurch. Wenn der Ionenstrahl durch das Rohr 211 läuft, erreicht er den von dem Magnetfeld, das durch den Magneten 213 erzeugt wird, durchsetzten Bereich und die Ionen in dem Strahl v/erden um einen Winkel abgelenkt, dessen Größe von ihrer Energie abhängt. Bei richtiger Auswahl der beteiligten Parameter kann der auseinandergehende Strahl, der durch den Eintrittsschlitz 58 in den magnetischen Sektor eintritt, auf den Austrittsschlitz 210 fokussiert werden-. Die Wahl dieser Parameter ist für den Fachmann, der sich mit Massenspektrometrie befaßt, nicht schwierig. Eine geeignete Anordnung ist in Fig. 3 abgebildet. Bei dieser Ausfuhrungsform erstrecken sich die Pole des Magneten 213 über einen Winkel von 58 und die Eintritts- und Austrittsflächen der Pole sind gegenüber der Senkrechten um 22 1/2° schräggestellt. Der Krümmungsradius der Mittellinie des Polstückes beträgt ca. 10 cm, der Abstand zwischen dem Eintrittsschlitz und der Stelle, an der die Mittellinie des Ionenstrahlweges in den magnetischen Bereich eintritt (unter Vernachlässigung von Streufeldern) beträgt etwa 17,7 cm und die Entfernung zwischen dem Austrittsschlitz und der Stelle, an der die Mittellinie des Ionenstrahlweges in den magnetischen Bereich eintritt, beträgt etwa 18,3 cm.

Bei einem Massenspektrometer dieser Art ist das Magnetfeld im wesentlichen fest. Eine zweckmäßige Einstellung würde bei 10.000 Gauss liegen. Bei Verwendung des Gerätes nach Fig. 3 niit einer Einstellung des Magnetfeldes auf 10.000 Gauss wurden Ionen mit Massen zwischen 43 und 999 AMU auf den Detektor 20 fokussiert werden können, indem die

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Energie des Ionenstrahles zwischen 54O und 12.000 V variiert wird. Unterhalb 43 AMU treten jedoch wegen der hohen benötigten elektrischen Feldstärken Schwierigkeiten auf. Trotz der Tatsache, daß die meisten interessierenden Massen in dem Bereich zwischen 43 und 999 AMU liegen, ist das vorliegende Gerät mit Einrichtungen ausgerüstet, die es ermöglichen, das Magnetfeld unter den eingestellten Wert abzuschwächen, so daß auch gewünschtenfalls Massen unterhalb 43 AMU gemessen werden können. Der Detektor 20 enthält ein Gehäuse 214, in dem ein Elektronenvervielfacher 215 herkömmlicher Konstruktion angeordnet ist. In der Nähe des den magnetischen Sektor von dem Detektor trennenden Austrittsschlitzes 210 sind zu beiden Seiten des Ionenstrahls zwei paiallele Elektroden 216 und 217 angeordnet. Diese beiden Platten sind über Leitungen 218 und 219 mit einer Wechselpotentialquelle verbunden. Ihr Zweck wird nachfolgend noch erläutert.

Zu den Grundelementen der erfindungsgemäßen Ionenstrahlquelle gehören die Reflektorelektrode, die ersten und die zweiten Ausrichtelektroden und die Eintrittselektrode. Wie schon erwähnt, besteht bei Ionenstrahlquellen, bei denen die Energie des Ionenstrahls über einen breiten Energiebereich veränderbar sein soll, das Grundproblem darin, daß der Ionenstrahl bei einer erheblichen Änderung des Potentials der Ionenquelle defokussiert und evtl. verlorengeht, obwohl es möglich ist, die Elemente der Ionenquelle bei einer vorgegebenen Energie zur Erzeugung eines fokussierten Ionenstrahls bei dieser Energie auszurichten. Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Schwierigkeit vermieden werden kann, wenn die Energien der Reflektorelektrode und der ersten und zweiten Ausrichtelek-

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troden sämtlich in bezug auf die Eintrittselektrode zusammengebracht werden. Im einzelnen wurde herausgefunden, daß das Potential der ersten Ausrichtelektrode in bezug auf die Eintrittselektrode bei Aufrechterhaltung eines auf den Eintrittsschlitz fokussierten Ionenstrahls über einen.weiten Energiebereich variiert werden kann, wenn die Reflektorelektrode bezogen auf die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten Potential gehalten wird, wenn die zweite Ausrichtelektrode auf einem Potential gehalten wird, das negativer ist als das der ersten Ausrichtelektrode, jedoch proportional zu diesem, und wenn die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten positiven Potential gegenüber der Eintrittselektrode gehalten wird.

Obwohl diese Elektrodenkonstellation durchaus zufriedenstellend arbeitet, kann sie noch wesentlich verbessert werden, indem man eine fünfte Elektrode, die Extraktionselektrode, zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode anordnet. In dieser Konstellation sind alle Potentiale auf das Potential der Extraktionselektrode bezogen, mit Ausnahme desjenigen der Eintrittselektrode, die normalerweise auf Erdpotential gehalten wird. Die Reflektorelektrode wird auf einem konstanten Potential gegenüber der ersten Ausrichtelektrode gehalten, und die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten Potential gegenüber der Extraktionselektrode. Die zweite Ausrichtelektrode wird dann auf einem Potential gehalten, das positiver ist als dasjenige der Extraktionselektrode, jedoch proportional zu diesem, und die erste Ausrichtelektrode wird auf einem gegenüber der Eintrittselektrode positivem Potential gehalten. Verändert wird dabei das

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Potential der Extraktionselektrode, um die Energie des Ionenstrahls zu variieren.

Gemäß Fig. 5 sind die Potentiale der verschiedenen Elektroden in dem Gehäuse so gewählt, daß sie von der Eintrittselektrode zur Reflektorelektröde zunehmend positiver werden. Die Reflektorelektrode kann theoretisch ein Potential haben, das positiver ist als dasjenige des Gehäuses, Bei dieser Konfiguration würde eine Äquipotentiallinie entsprechend dem Gehäusepotential zwischen der Reflektorelektrode und der ersten Ausrichtelektrode im lonenbildungsbereich verlaufen. Man kann erwarten, daß dieses Äquipotential eine idiale Position für den Elektronenstrahl ist. Obwohl diese Konfiguration funktioniert, hat sich herausgestellt, daß das Elektrodensystem noch besser arbeitet, wenn die Reflektorelektrode auf negativem Potential, bezogen auf das Gehäuse/gehalten wird.

Wenn der Extraktionselektrode ein Potential V mitgeteilt wird, dann werden die übrigen Elektroden, unter der Voraussetzung, daß die Eintrittselektrode geerdet ist, -die in Fig. 5 eingezeichneten Potentiale haben; z.B. K₁V, KpV, V+A, V+B, V+C und V+D. Wie oben erwähnt, wird das Potential der Extraktionselektrode gegenüber der Eintrittselektrode verändert. Die Absolutwerte der in der Ionenstrahlquelle verwendeten Potentialwerte variieren natürlich mit den Abmessungen der Ionenstrahlquelle, jedoch hat das dargestellte Massenspektrometer einen Massenbereieh von ^J bis -999-AMU, wenn für die in den Fig. 5 und abgebildete Ionenstrahlquelle das Potential V zwischen 540 und 12.000 V variiert-wird. Die Platten der zweiten Ausrichtelektroden werden dann auf einem Potential gehal-

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ten, das dem Potential der Extraktionselektrode proportional ist. Die Proportionalitätskonstanten K, und K liegen im Bereich zwischen etwa 0,8 und 0,95» wobei ein Wert von etwa 0,85 normal ist. Das Gehäuse wird auf einem Potential A gegenüber der Extrakt!onselektrode gehalten, wobei der Wert von A im Bereich von 0 bis etwa 90 V, namentlich bei 50 V liegt. Das Potential des Reflektors wird auf einem konstanten Wert B in bezug auf die Extractionselektrode gehalten. B liegt im Bereich von etwa -50 bis etwa l40 V, kann jedoch besser unter Bezugnahme auf die Konstante A ausgedrückt werden. B liegt dabei im Bereich von (A-50) bis (A+50) V, namentlich bei 45 V. Die Platten der zweiten Äusrichtelektrode werden auf im wesentlichen gleichem Potential gehalten. Die Konstanten C und B liegen im Bereich zwischen -50 und 90 V. Unter Verwendung der Konstanten A ausgedrückt liegen diese Konstanten im Bereich von A bis (A-50) V, namentlich bei etwa 35 Y* Diese Werte sind in Tabelle II eingetragen.

	Tabelle	II	nominell
Konstante	Bereich	Bezeichnung zu A	50 . . 45 35 0,85
A B C,D	0-90 (_5O)-14O (-50)-90 0,80-0,95	(Α-5ΟΜΛ+5Ο) A-(A-50) .

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Im Betrieb trifft der Elektronenstrahl 73 auf die in den Ionenbildungsbereich R durch den Gaschromatografen einge-.führten Gasmoleküle, wodurch Ionen gebildet werden. Das Potential der Extraktionselektrode zieht diese Ionen aus dem Ionenbildungsbereich heraus und fokussiert sie auf einem.Punkt zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode in dem Bereich,der generell als Extrakttnsschlitz bereichnet wird. Der Ionenstrahl wird dann an dem Eintrittsschlitz refokussiert. Die erste und die zweite Ausrichtelektrode werden Ausrichtselektroden genannt, weil sie zur Ausrichtung des Ionenstrahls benutzt werden können. Beide Ausrichtelektroden bestehen aus zwei separaten Platten mit getrennt einstellbaren Potentialen. Die erste Ausrichtelektrode hat einen ausgeprägteren Pokussierungseffekt im Niedrigenergiebereich des Ionenstrahls und wird daher als Niedrigenergie-Ausrichtelektrode bezeichnet. Die zweite Ausrichtelektrode übt dagegen eine stärkere Fokussierungswirkung auf die Hochenergieionen des Strahls aus und wird daher als Hochenergie-Ausrichtelektrode bezeichnet. Wenn V das untere Ende des Potentialbereichs darstellt, können die Relativpotentiale der beiden Platten, die die erste Ausrichtelektrode bilden, verändert werden, um den Ionenstrahl auf den Eintrittsschlitz zu fokussieren,und wenn V das obere Ende des Energiebereichs darstellt, können die Relativpotentiale der beiden die zweite Ausrichtelektrode bildenden,Platten verändert werden, um den Ionenstrahl auf den Eintrittsschlitz zu fokussieren. Auf diese Weise kann die Ionenstrahlquelle "abgestimmt" werden, so daß der Ionenstrahl auch bei Veränderung der Strahlenergie auf den Eintrittsschlitz fokussiert bleibt.

Die Energie des von der Ionenstrahlquelle ausgehenden

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Ionenstrahls kann entweder kontinuierlich variiert werden, indem das Potential der Extraktionselektrode gegenüber der Eintrittselektrode variiert wird, oder diskret, indem die Energie der Extraktionselektrode in bezug auf die Eintrittselektrode inkrementell verändert wird. Die diskrete Veränderung der Energie des Ionenstrahls bietet einige Vorteile hinsichtlich der Vereinfachung der Steuerung des Gerätes und der Möglichkeit der Digitalisierung des Betriebes. Diese Betriebsweise bringt jedoch auch einige Probleme. Das dargestellte Massenspektrometer, und magnetische Massenspektrometer allgemein, stellen Geräte mit konstanter Leistungsauflösung dar* Dies bedeutet, daß die Auflösung in jedem Inkrement des Massenspektrums über den erfaßten Massenbereich die gleiche ist wie die Auflösung in jedem anderen Inkrement des Massenspektrums. Die Auflösung des Massenspektrometer ist definiert' als M/^M, wobei M die Ionenmasse in AMU ist und ^M für eine bestimmte Masse die Breite des Spitzenwertes. Wenn die Auflösung konstant und M groß ist, ist auch ^M groß und der Massenspitzenwert ist bezogen auf die Massenspitzenwerte bei kleineren Massen breit. Diese Ungleichheit zwischen den Massenbreiten verursacht zwei Schwierigkeiten. Als erstes besteht die Gefahr, daß sie Pehlinterpretationen beim Ablesen des Massenspektrums verursacht. Dies trifft sowohl bei kontinuierlicher als auch bei diskreter Veränderung der Ionenstrahlenergie ein. Bei diskreter Betriebsweise verursacht jedoch die geringe Breite der Massenlinien bei geringen Massen größere Schwierigkeiten» Wegen des Energieunterschiedes zwischen zwei diskreten Niveaus beim Betrieb der Ionenstrahlquelle können einige Massenlinien verlorengehen. Wenn sie innerhalb des Bereiches der Energieverschiebung liegen und so schmal sind, daß sie sich nicht

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über den Verschiebungsbereich erstrecken, können sie vollständig unbemerkt bleiben.

Zur Lösung dieses Soblems ist das erfindungsgemäße Massenspektrometer mit zwei Platten 216 und 217 versehen, die in der Nähe des Austrittsschlitzes des Massenspektrometers liegen. Wenn ein Wechselspannungspotential (vorzugsweise eine Spannung in Sägezahn- oder Dreieckwellenform) an diese Platten angelegt wird, streicht der Brennpunkt des Massenstrahles über den Austrittsschlitz hin und her. Dies bewirkt eine Verbreiterung der Massenlinie. Auf diese Weise wird das Auftreten des Massenspektrums vergrößert und es gehen keine Massenlinien in dem Übergangsbereich von einem diskreten Energieniveau zum nächsten verloren. Das an die Platten 216 und 217 angelegte Potential sollte entsprechend der Geometrie des Massenspektrometers gewählt v/erden. Für das oben beschriebene Gerät hat sich ein Potential von bis zu 100 V als zweckmäßig erwiesen. Die in Fig. 3 abgebildeten Platten sind jedoch ziemlich lang. Wenn die Platten lang sind, kann eine niedrigere Spannung zur Defokussierung des Ionenstrahls verwendet werden, und die Gefahr eines elektrischen Zusammenbruchs verringert sich, jedoch haben große Platten kein so gutes Übertragungsverhalten für Hochfrequenz. Kleine Platten haben ein besseres Übertragungsverhalten für Hochfrequenz, erfordern jedoch höhere Potentiale zur Erzielung der gewünschten Defokussierung und höhere Potentiale sind schwieriger zu erzeugen. Die Platten sollten je nach Wahl so klein wie möglich und die Spannung sollte so hoch wie möglich sein.

Das Potential sollte mit einer Frequenz zwischen 50 und 200 kHz verändert werden, wobei etwa 100 kHz normal sind.

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Im Betrieb ist diese künstliche Verbreiterung der Linien bei Massen, die größer sind als etwa 3OO AMUy nicht erforderlich. Daher wird das V/echselspannungspotential im Massenbereich zwischen 43 AMU und 3OO AMU zugeschaltet und oberhalb dieses Punktes abgeschaltet.

Fig. 8 zeigt schematisch die Art und Weise, in der die Energie des Ionenstrahls inkrementell erhöht wird. Ein vierstelliges binärkodiertes Dezimalregister (BCD) 3OO ist hierfür vorgesehen. Solche Register werden von Motorola unter der Bezeichnung MC 14O42 oder MC 14510 vertrieben. Dieses Register kann eine Zahl zwischen 0 und 999,9 in Zehntel von Dezimalinkrementen aufnehmen. Jede Stelle in dem BCD ist an einen Digital/Analog-Umsetzer 301 mit vier Drähten angeschlossen. Der Digital/ Analog-Umsetzer kann in bekannter 'Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann der Baustein CY 2736 von Cycon Inc. verwendet v/erden, der eine Spannung "e" erzeugt, die derjenigen Zahl, die an dem vierstelligen Binärbaustein ansteht, proportional ist. Die Spannung wird dann einem Spannungsteiler 302 zugeführt, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Reziprokwert der von dem Digital/Analog-Umsetzer erzeugten Spannung "e" proportional ist. Ein solcher Spannungsteiler wird von der Fa. Functional Moduals Inc. als Modell 9522 vertrieben. Das Ausgangssignal des Spannungsteilers 302 wird einem Verstärker 303 zugeführt. Dieser Verstärker sollte nichtlinear, stabil, schnell und rauschfrei sein. Er sollte ferner fähig sein, hohe Spannungen zu verarbeiten. Infolge der Arbeitsweise des Massenspektrometer ist die auf den Detektor auftreffende Ionenmasse umso geringer, je höher die an die Ionenstrahlquelle angelegte Spannung ist. Bei Verwendung des Teilers

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302 kann man eine Spannung ^T'e^M erzeugen, die nach Kalibrierung und Anlegung an die Ionenstrahlquelle einen Strahl fokussiert, dessen Masse von dem vierstelligen BCD auf dem Detektor des Massenspektrorneters angezeigt wird.

Fig.. 11 veranschaulicht die Steuertafel des erfindungsgemäßen Massenspektrometer. Die rechte untere Ecke der Steuertafel ist ein Tastenfeld 305 und eine Anzeige 306, mit denen es möglich ist, die das System betreibenden Computer willkürlich zu programmieren. In der linken unteren Ecke der Konsole befindet sich eine Massenprogrammierelnheit 307* an der der interessierende Massenbereich eingestellt werden kann. Durch Drücken des Knopfes 308, der die Aufschrift "Hoch" trägt, und durch Eintippen der oberen interessierenden Masse in das System und durch Drücken des Knopfes 309, der die Aufschrift "Niedrig" trägt, und Eintippen der niedrigen interessierenden Masse, kann man den interessierenden Massenbereich festlegen. Der niedrige Massenwert wird zu dem vierstelligen BCD 300 übertragen. Durch. Drücken des Knopfes 310 oder 3II fährt der BCD JOO automatisch in. Inkrementen von Zehntel Einheiten der Masse vom niedrigen zum hohen Wert. Eine Einzelüber s tr ei chung des Bereiches kann man erhalten, Indem Knopf JfW gedrückt wird und ein wiederholtes Überstreichen erhält man durch Drücken des Knopfes 3IO. Die Rate, mit der die Überstreichung des Interessierenden Massenbereiches erfiigt, kann unter Verwendung eines Systems nach FIg, 8 und der Knöpfe 312 und 313 eingestellt werden.

Das Herz des Jiassenabtastsystems ist ein aufwärts und abwärts beta?eibbares Laderegister 314, bei dem es sieh um einen Festkörperbaustein des Modells MC 14510 von

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Motorola handelt. Das Register Ist so konstruiert, daß es eine Spannung erzeugt, die demjenigen Zustand entspricht, in dem das Gerät sieh momentan befindet. Dieser Zustand des Systems kann die Skala hinauf sequentiell von einer Position zur anderen geändert werden, indem der Knopf 312 gedrückt wird und die Skala abwärts, indem der Knopf 313 gedrückt wird, Von diesem System führt ein Leitungsbündel zu einer Anzeigeeinrichtung 315 und ein anderes Leitungsbündel zu einer Anzahl anderer Baugruppen, wie einer Papiervorschubsteuerung 316., einer Massenabtaststeuerung 3I7 und einer Bandpaßsteuerung 3I8. Wenn das Pestkörperbauteil sich' in einem bestimmten Zustand befindet, wie durch Fig» angegeben, wird eine bestimmte Papiervorschübgeschwindigkeit, eine bestimmte Massenabtastung und ein bestimmter Bandpaß für diese Massenabtastung aktiviert und ein die Rate, mit der die Massenabtastung erfolgt/ in AMU pro Sekunde kennzeichnendes Licht wird an der Anzeigeeinrichtung 315 angezeigt. Obwohl das System Imstande ist, mit 2,000 AMU pro Sekunde abzutasten, mit einer Rückkehrrate von 0,003 Sekunden, sind mechanische Aufzeichnungsgeräte nicht in der Lage, so schnell zu laufen, so daß bei einem in dieser Art betriebenen .System die schnellstmögliche Abtastrate bei 512 AM pro Sekunde liegt. Die Massenabtastung kann jedoch auf einem Bildschirm abgebildet werden, wobei die Geschwindigkeit nicht mechanisch beschränkt ist. Das System ist daher so konstruiert, daß es selbst oder ein unterschiedlicher Massenbereich für die Auslesung durch das Sichtgerät unter Verwendung einer .Sichtgerät-Programmiereinheit 319» des Hoch-Knopfes 320 und des Niedrlg-Knopfes 32I programmiert werden kann. Bei Verwendung des Tastenfeldes 305 kann man die hohe und niedrige Masse für eine Abtastung mtt 2000 AMU pro Sekunde programmieren,. Bei Brücken des Betriebsknopfes

322 beginnt die Abtastung und die Aufzeichnung auf dem Sichtgerät zu laufen.

Unter Verwendung der Temperaturregeleinheit 323 können auch andere Parameter des Systems eingestellt werden. An den Knöpfen 325 und 326 und an dem Tastenfeld 305 können die Anfangs- und Endtemperaturen der ehromatografisehen Säule eingestellt werden, wobei die Änderungsrate in Grad pro Minute durch die Knöpfe 327 und 328 und die Anzeigevorrichtung 329 gesteuert wird. Die Knöpfe 327 und 328 und die Anzeigevorrichtung 329 arbeiten in genau derselben Weise wie das unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschriebene System. Durch Drücken der Knöpfe 330, 331 und 332 kann man die Injektortemperatür, die Düsentemperatur und die Quellentemperatur für das System unter Benutzung des Tastenfeldes 305 einstellen.

Normalerweise ist das System für die Benutzung mit einer Anzahl verschiedener Gase für die chemische Ionisierung vorgesehen,und durch Drücken der Knöpfe 333* 33^ und 335 an der Steuerstation 336 kann man das gewünschte Gas auswählen. Durch Benutzung der Knöpfe 337 > 338 und 339 kann man das System entweder in den Arbeitszustand, in den Wartezustand oder in den Abschaltzustand versetzen.

Durch Verwendung einer Speicherstelle 340 kann man in einen nicht dargestellten Speicher ein bestimmtes Verfahren eingeben und durch Drücken der Knöpfe 341 bzw. 342 wieder abrufen. Man kann dem Verfahren eine Speichernummer geben, indem der Knopf 343 gedrückt und das Tastenfeld benutzt wird. Ferner ist ein Hilfsknopf 344 zur Erzielung anderer Operationen vorgesehen.

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Die letzte Station auf der Steuertafel 3^5 wird dazu benutzt, ein Erkennungssystem einzuschalten, das bestimmte Massenspitzen identifiziert. Diese spezifischen Massenidentifizierungsspitzen können in das System eingelesen v^erden, indem der Knopf 3^6 gedrückt wird und die Srkennungsprozedur wird durch Drücken des Knopfes J>K"J gestartet.

Die Verwendung eines Systems mit diskreten Energiewerten zum Betrieb des Massenspektrometers ermöglicht die Konstruktion eines sehr einfachen Massenidentifizierungssystems. Dieses Massenidentifizierungssystem ist in Fig. 10 abgebildet, wo die obere Kurve ein Massenspektrum eines fiktiven Gases darstellt und die untere Kurve eine Rechteckwelle bildet, die von dem in Fig. 8 dargestellten System erzeugt wird. Jedesmal, wenn der BCD j500 um eine Masseneinheit fortschaltet, wird eine Flanke einer Rechteckwelle erzeugt. Die Rechteckwelle hat eine eingestellte Amplitude, die sich jedesmal verdoppelt, wenn ein Zehner an Masseneinheiten erreicht ist,und sich verdreifacht, wenn ein Hunderter an Masseneinheiten erreicht ist. Die Konstruktion einer elektronischen Schaltung, die aus der von dem System nach Fig. erzeugten Inkrementalspannung eine solche Rechteckwelle erzeugt, liegt im Bereich der Fähigkeiten des einschlägigen Fachmanns.

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Claims

Ansprüche

(' l.jSpektrometrisches Analysegerät mit einer· Ionenstrahl- ^x—S quelle variabler Energie, die mehrere Elektroden zur Strahlbeeinflussung entlang des Ionenstrahlweges aufweist, mit einem Gaseinlaß zum Einführen von Gas in den lonenbildungsbereich und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls in dem lonenbildungsbereich, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des lonenbildungsbereiches eine Reflektorelektrode (50) angeordnet ist, und daß entlang des Ionenstrahlweges eine erste Ausrichtelektrode (52) geringer Energie angeordnet ist, die einen Riehtschlitz aufweist und zusammen-mit der Reflektorelektrode (50) den lonenbildungsbereich begrenzt, daß hinter der ersten Ausriehtelektrode eine zweite Ausriehtelektrode (59) hoher Energie angeordnet ist, die ebenfalls einen Richtschlitz (56) aufweist, daß hinter der zweiten Ausrichtelektrode (59) eine Eintrittselektrode (57) niit einem Eintrittsschlitz {58) angeordnet ist, und daß die Reflektorelektrode (50) auf einem konstanten Potential gegenüber der ersten Ausriehtelektrode (52) liegt, während die zweite Ausrichtelektrode (59) an einem Potential liegt, das negativer als dasjenige der ersten Äusrichtelektrode (52) und proportional zu diesem ist*
2. Änalysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daiß das Potential der ersten Ausrichte lelctro&e (52) in toezug auf die Eintrittselekfcr-oäe (57) positiv und gegenüber diesesa Potential ver~ &oeber!>ar ist»

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3. Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der ersten Ausrichtelektrode (52) und der zweiten Ausrichtelektrode (59) eine geschlitzte Extraktionselektrode (54) angeordnet ist, daß die Reflektorelektrode (50) und die erste Ausrichtelektrode (52) bezogen auf die Extraktionselektrode (57) auf konstantem positivem Potential liegt, das in bezug auf die Eintrittselektrode (57) variabel ist.
4. Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelektrode (50) auf einem gegenüber dem Potential der ersten Ausrichtelektrode (52) konstanten und positivem Potential gehalten wird.
5. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenbildungsbereich sich in einem Gehäuse (48) befindet, in welchem die Reflektorelektrode (50) und die erste Ausrichtelektrode (53) angeordnet sind, und daß das Gehäuse (48) an gegenüber der ersten Ausrichtelektrode positivem Potential liegt.
6. Analysegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (48) eine Elektronenstrahlöffnung (70) aufweist, in deren Nähe sich eine Elektrode (69) zur Erzeugung des Elektronenstrahls (73) befindet, welche an gegenüber dem Gehäuse (48) negativem Potential liegt.
7. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (48) die Pole (80, 81) eines Magneten an-

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geordnet sind, dessen Magnetfeld in dem Ionenbildungsbereich parallel zur Längsachse des Elektronenstrahls (73) verläuft.
8. Analysegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ,Jedem Pol (80, 8l) eine geerdete Abschirmung (82, 83) zugeordnet ist, die trichterförmig ausgebildet ist und gefangene Ladungen abfängt, die die Pole des Magneten umgeben.
9. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausrichtelektrode (52) aus zwei den ersten Ausrichtschlitz (5I) bildenden Elektrodenplatten besteht, die relativ zueinander an konstantem Potential liegen.
10. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausrichtelektrode (59) aus zwei den zweiten Ausrichtschlitz (56) bildenden Platten besteht, die relativ zueinander an konstantem Potential liegen.
11. Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis .10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elektroden planparallel sind.
12. Analysegerät nach Anspruch 5j dadurch gekenn zeichnet, daß an dem Gehäuse (48) eine Heizvorrichtung (84) vorgesehen ist.
13. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem

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Gaschromatografen (11) mit einer chromatografischen Säule (12) mit Gaseinlaß (15) und Gasauslaß (14) ein Massenspektrometer (16) nachgeschaltet ist, dessen Ionenstrahlquelle ein magnetischer Sektor (211) nachgeordnet ist, in dem die in den Ionenstrahl enthaltene Ionen entsprechend ihrem Moment abgelenkt werden, daß ein Detektor (20) vorgesehen ist, der auf diejenigen Ionen anspricht, die innerhalb des magnetischen Sektors um einen vorgegebenen Winkel abgelenkt werden, und daß ein Verbindungsstück (21) den Gasauslaß des Chromatografen (11) mit dem Einlaß der Ionenstrahlquelle verbindet.
14. Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 1;5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sektor (I9) durch eine einen Austrittsschlitz aufweisende Austrittsplatte (210) von dem Ionendetektor (20) getrennt ist, daß innerhalb des magnetischen Sektors zwei einander gegenüberliegende Deflektorelektroden (216, 217) in der Nähe der Austrittsplatte (210) angeordnet sind, wobei jede der Deflektorelektroden auf einer Seite des Ionenstrahls liegt, daß an die Deflektorplatten ein Wechselpotential gelegt ist, und daß der Gasauslaß (14) des Chromatografen über eine Verbindungseinrichtung (21) mit der Ionenstrahlquelle (18) verbunden ist.
15. Analysegerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Wechselpotentials an den Deflektorelektroden zwischen etwa 50 und 200 kHz liegt.

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16. Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pro-

• bengasauslaß (14) des Chromatografen (11) über eine elektrisch nicht leitende Zwischenleitung (21) mit der Ionenstrahlquelle (18) verbunden ist, daß in der Zwischenleitung (21) eine Drossel (22) zur Erzeugung eines Druckabfalls zwischen dem Chromatografen (11) und dem Massenspektrometer (16) angeordnet ist, daß in Strömungsrichtung hinter der Drossel (22) ein Probengasanreicherer (23) zur Erhöhung der Konzentration des Probengases bezogen auf das Trägergas in der Verbindungsleitung (21) liegt, und daß im Niederdruckbereich der Zwischenleitung (21) ein erster elektrischer Leiter liegt, der annähernd auf demselben Potential gehalten wird wie die Ionenstrahlquelle.
17. Analysegerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Probengasanreicherer (23) ein Düsenseparator ist, der eine Eingangsdüse (39), eine auf die Eingangsdüse gerichtete Scheidedüse (40), eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Bereiches zwischen den Düsen (39, 4o) und einen im Bereich zwischen den Düsen (39, 40) angeordneten zweiten elektrischen Leiter (203) aufweist, der zusammen mit der Vakuumpumpe an etwa demselben Potential liegt wie die Ionenstrahlquelle.
18. Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verbindungsleitung (21) in Strömungsrichtung vor der Drossel (22) eine Inertgasquelle (27) anschließbar ist, in deren Inertgasleitung (28) ein Ventil (29) liegt, daß dem Ventil (29) ein an die Inertgasleitung (28) an-

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geschlossenes Halterohr (j51) parallelgeschaLtet ist, daß an das Halterohr (^l) eine Eichgasquelle (35) zum Füllen des Halterohres mit Eichgas anschließbar ist, und daß die Eichgasfüllung des Halterohres (3I) von dem Inertgas in die Verbindungsleitung (21) treibbar ist.

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