DE836064C - Verfahren und Vorrichtung zur Ionentrennung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 7. APRIL 1952

ρ 35663 VIIIc/zig D

Atlas-Werke A. G., Bremen

Die bisherigen Vorfahren zur Ionentrennung arl>eiten auf massenspektrometrischer Grundlage. Durch die Erfindung ist ein anderes Verfahren zur Trennung von Ionen verschiedenen Gewichtes geschaffen worden, das sich durch technische Einfachheit auszeichnet und besonders geeignet ist zur ge; trennten Beobachtung des jeweils leichtesten Ions von den schwereren Ionen einer vorhandenen Mischung.

Das Wesen des neuen Verfahrens besteht darin, daß die Ionen von einer Elektrode fortbewegt und wieder zurückgeholt werden und sich dabei um so weiter von der Elektrode entfernen, je größer das Verhältnis ihrer Ladung zu ihrer Masse ist, so daß die Bahnweite eine Funktion der Ionenmasse darstellt. ICs kann dann aus der räumlichen Ionenverteilung auf die Zusammensetzung des betreffenden Tonen- oder Gasgemisches geschlossen, insbesondere sein leichtester Bestandteil nachgewiesen werden. Um eine solche Ionenbewegung herbei zuführen, werden die Ionen den Kräften eines elektrischen Wechselfeldes genügend hoher Frequenz ausgesetzt, dem eine die Ionen zur emittierenden Elektrode zurückführende Gleichkomponente überlagert ist. Das neue Verfahren ist nicht, wie die Massenspektrometrie, auf die Verwendung einzelner scharf gebündelter Ionenstrahlen angewiesen. Dadurch ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, mit einfachen Mitteln hohe Meßempfindlichkeiten zu erreichen.

Die Erfindung sei an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. In Abb. 1 der Zeichnung ist ι ein Ionisationsraum, in dem die Ionen entstehen, 2 ein Gitter, durch welches die Ionen in das Trennfeld eintreten, und 3 eine Auffangelektrode im Abstand d vom Gitter 2. Im Raum 4 zwischen

Gitter 2 und Auffänger 3 soll eine massenabhängige Verteilung der Ionen erreicht werden. Dieser Raum sei als Trennraum bezeichnet.

Legt man zwischen Gitter und Auffänger ein elektrisches Wechselfeld, so werden die positiven Ionen nur dann in den Trennraum 4 hineingezogen, wenn die Spannung am Auffänger 3 gegenüber der Gitterspannung negativ ist. Verfolgen wir ein Ion, das in dem Augenblick in den Trennraum eintritt, wenn gerade die negative Halbwelle am Auffänger beginnt, so wird das Ion während dieser Halbwelle zum Auffänger hin beschleunigt und dann wieder in der nächsten Halbwelle auf Null verzögert, wobei vorausgesetzt wird, daß der Feldwechsel so rasch erfolgt, daß die Auffängerplatte von dem Ion in einer Periode nicht erreicht wird. Es ist klar, daß unter diesen Bedingungen das Ion in der nächsten Periode sich die gleiche Strecke auf die Auffängerplatte zu bewegen muß und diese unbedingt einmal erreichen wird, und zwar unabhängig von seiner Masse.

Anders liegen die Verhältnisse, wenn das Wechselfeld durch eine überlagerte Gleichspannung unsymmetrisch gemacht wird. Dann kann erreicht werden, daß die Ionen auf die Auffängerplatte hin beschleunigt, dann verzögert und schließlich auf das Gitter zurückgetrieben werden, wo1>ei die durchlaufene Bahn masseabhängig ist, wie in der folgenden Berechnung gezeigt werden soll. Dabei wird angenommen, daß ein planparalleles Feld vorliegt und die Raumladung vernachlässigt werden kann.

Die Spannung zwischen Gitter 2 und Auffänger 3 genüge der Gleichung:

U = U₀ sin (ω t + ψ) — U_gl. (1)

Die Phasenlage der Spannung ist aus Abb. 2 zu entnehmen. Für t = ο ist danach:

U =. ο = U₀ sin φ — Ugi oder sin q =

V =

S =

m d

m d

U_n cos (ω t + ψ)

]-A

J^J<L^1⁽»1±VL^ HlIp ₊ At ₊ B

(ia)

Durch Integration der dynamischen Grundgleichung

d² s

K = m · -Tm- ergeben sich die Geschwindigkeitsund die Ortsfunktion für die Bewegung der Ionen im elektrischen Wechselfeld:

worin e die Ladung des Ions und m die Masse des Ions sowie A und B konstante Größen bedeuten, die von den Anfangsbedingungen, also von der. Phasenlage des Ioneneintritts in den Trennraum, abhängen. Es mögen zunächst diese Konstanten für die Ionen berechnet werden, die im Zeitpunkt ο) t = ο bzw. ω t = 2 π in den Trennraum eintreten, also die längsten Bahnen beschreiben. Für diese gilt:

^M

cos (ω t + 95)

OJ

t = o; V = o; S = o.

Hiermit folgt aus Gleichung (ia):

U_n

und A =

U₀ cos φ

In Gleichung 2 und Gleichung 3 eingesetzt, ergibt das die Gleichungen

— t · U₀ sin φ +

U₀ cos φ

(2 a)

m d

J₀ sin (ω/ + φ) ω²

0)

U_n sin φ

(3 a)

Die Überlagerung des Gleichfeldes U_g war notwendig, um das Zurücktreiben der Ionen auf das Gitter zu erreichen. Es muß jedoch möglichst klein gehalten werden, damit die Nutzphase nicht kleiner als nötig wird. Im Grenzfalle soll erreicht werden, daß die Ionenbahn bei Beendigung der nächsten Beschleunigungsperiode gerade wieder das Gitter berührt. Aus Abb. 2 ist abzulesen, daß dann (1) t = 3 π—2 φ ist. Zu diesem Zeitpunkt soll also V = o und 5" = ο sein. Aus den Gleichungen 2a und 3a werden für diesen Fall:

— cos (ω t + φ ) — ω t sin φ + cos ψ = ο (4)

— sin (ω t + φ) — sin φ

+ sin φ — ο,

O) t COS ψ

deren Auswertung für ω t = 3 .-τ — 2 η für φ die Gleichung

(3 π — 2 φ)*
2

ergibt. Durch numerische Auswertung erhält man daraus den Grenzwinkel

φ = 14°,

(Oa)

bei dem noch gerade die Ionen zurückgeholt werden, und zwar unabhängig von der Masse. Daraus folgt für die Größe der Gleichspannung im Vergleich zur Wechselspannung nach Gleichung ia die Formel:

U₉₁ = 0,24 U₀ . (7)

Zur Bestimmung der maximalen Steighöhe muß zunächst berechnet werden, bei welcher Zeit ω t die Geschwindigkeit Null wird zwischen den trivialen Werten <o t = ο und o> t = 3 π — 2 φ. Das geschicht durch Einsetzen von sin φ = 0,242 (Gleichung 6a) in Gleichung 4 und ergibt den Wert Μ/ = .τ(ΐ+Άβ). Wird dieser Wert von rot jetzt in Gleichung 3a eingesetzt, so erhält m^n für die maximale Ionenauswanderung die Formel:
jj

■S««x = 3,17- _a)2md' ^

aus der also abzulesen ist, daß die Steighöhe umgekehrt proportional der Masse geht.

Für die technische Ausnutzung der Massenabhängigkeit der maximalen Auslenkung für die Lochsuche mit Wasserstoff als Testgas wird man nun die Betriebsverhältnisse so wählen, daß das nächste praktisch vorkommende Ion neben dem Η-Ion den Auffänger gerade in keinem Falle mehr erreichen kann. Das nächste praktisch in Erscheinung tretende Ion ist das CH-Ion mit der Masse 13. Die zur Zeit f = ο startenden Η-Ionen würden

' dann also eine maximale Auslenkung erfahren, die dreizehnmal größer ist als der Abstand zwischen Gitter und Auffangelektrode, wenn das Feld entsprechend ausgedehnt wäre und sie nicht schon vom Auffänger vorher abgefangen würden. Die später startenden Η-Ionen müssen weniger ausgelenkt werden, aber immer noch abgefangen werden bis zu einer Startphase, bei der sie die Auffangelektrode noch gerade erreichen. In jeder Wechselstromperiode treffen während des größten Teils der Nutzphase A(Ot = Zi — 2 ψ die Η-Ionen auf den Auffänger und können als Gleichstromimpulse registriert werden.

Für die technischen Daten:

= 2,21 · ΙΟ¹'³,

U_n — 200 V = el. st. E., d = 2cm
ergibt sich nach Gleichung 8 bei d = S_maXvn

_f„i = 3,17 · · 2,21 · IO¹³ ·

J 4

t -- 5 · io⁵ Hz; λ -- 200 m.

In der praktischen Ausführung wird man vorteilhaft zu einer zylindersymmetrischen Anordnung übergehen, wie sie in Abb. 3 schematisch veranschaulicht ist.

In einem Vakuumgefäß 5, in dem sich während der Messung das zu untersuchende Gasgemisch befindet, ist eine Ionisationseinrichtung angeordnet, die nach dem Grundgedanken der Heiischen Ionenquelle ausgeführt ist. In dieser Anordnung werden Elektronen von Kathoden 6, 6 in einen für die Elektronen praktisch elektrisch feldfreien Ionisationsraum 7 hereingezogen, der von einem Anodenzvlinder 8 umschlossen ist. Dabei wird eine Abwanderung an die Zylinderwandung durch das axiale Magnetfeld eines Magneten NS weitgehend verhindert. Die Elektronen durchlaufen dann, soweit keine Stöße stattfinden, auf Schraubenbahnen den Anodenzylinder in der Längsrichtung ohne Geschwindigkeitsverlust und werden bei Austritt an der gegenüberliegenden Seite des Zylinders abgebremst, um dann etwa am Orte der Gegenkathode umzukehren und zurückzupendeln. Dadurch wird die einem Elektron für die Ionisierung zur Verfügung stehende Weglänge wesentlich vergrößert. Durch die von der Kathode in Richtung zur Anode 8 bewegten Elektronen wird eine Stoßionisation des im Ionisationsraum 7 befindlichen Gasgemisches herbeigeführt. In dem zwischen Anode 8 und einem zylindrischen Auffänger 9 befindlichen Trennraum 10 wird durch Anlegen einer unsymmetrischen Wechselspannung nach Gleichung (1) das zur Trennung der interessierenden Ionenart dienende elektrische Wechselfeld erzeugt. Für die Lecksuche mit Wasserstoff als Testgas ist nun die Einrichtung in ihren Abmessungen: und Feldkräften so ausgelegt, daß der Auffänger 9 nur von den Wasserstoffionen getroffen wird, während er von den am weitesten bewegten Ionen des nächstschwereren praktisch vorkommenden Gases (nämlich von den CH-Ionen) gerade nicht mehr erreicht wird.

Mit dem auf undichte Stellen 11 zu untersuchenden Rezipienten 12 wird das Vakuumgefäß 5 durch eine Leitung 13 mit Drosselventil 14 und mit einer Vakuumpumpe 15 durch eine Leitung 16 verbunden. Sobald der zum Absprühen des Rezipienten dienende Testgasstrahl 17 auf die gesuchte Leckstelle 11 auftrifft, erleidet das Gleichgewicht zwischen den sekundlich abgepumpten und den sekundlich aus den Innenwandungen frei werdenden bzw. von außen eindringenden Gasmengen eine Verschiebung dadurch, daß vorwiegend Testgas in den Rezipienten eindringt; infolgedessen nimmt der Anteil des Gasgemisches im Vakuumapparat an Testgasionen und damit der Ionenstrom am Auffänger 9 plötzlich zu. Durch wiederholtes Hinwegfahren des Testgasstrahles über die Leckstelle 11 kann diese genau ermittelt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt, vielmehr sind noch mancherlei Abweichungen und auch andere Ausführungen und Anwendungen möglich. Obwohl sich die Trennung der leichtesten Ionen eines Ionengemisches am einfachsten durchführen läßt, da diese Ionen im äußersten Bereich allein vertreten sind, so können doch auch durch Messung der Ionendichte in Bereichen von Ionen höherer Massenzahl diese schwereren Anteile beobachtet werden, da für jede Ionenmasse eine Maximalentfernung von der emittierenden Elektrode gilt, außerhalb deren sie nicht mehr anzutreffen ist. Nur wird man bei derartigen Messungen schwererer Anteile zweckmäßig die leichteren Ionen vergleichsweise mit beobachten bzw. deren Veränderungen in Abzug bringen, damit diese nicht irrtümlicherweise dem zu messenden schwereren Anteil zugeschrieben werden.

Um zu erreichen, daß keine Elektronen in den Trennraum gelangen und das Meßergebnis fälschen, kann man zwischen Anodenzylinder 8 und Auffänger 9 noch einen oder mehrere Gitterzylinder schalten.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur lonentrennung, insbesondere für die Lecksuche in Vakuumapparaten, durch

ίο X.achweis eines durch Leckstellen eindringenden

Testgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen den Kräften eines elektrischen Wechselfeldes ausgesetzt werden, dem eine sie zur Ionenquelle zurückführende Gleichkomponente überlagert ist, und daß die dadurch hervorgerufene räumliche Verteilung der lonendichte zur Trennung benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichkomponente des Wechselfeldes auf denjenigen kleinsten Wert eingestellt wird, der erforderlich ist, um die Ionen gerade noch zur Ausgangselektrode zurückzuholen.

3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ionenemittierende und eine ionenauffangende Elektrode mit Einrichtung zur Messung der Ionengleichstromimpulse und Mitteln zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes mit überlagerter Gleichkomponente zwischen beiden Elektroden von einer solchen Frequenz und Größe vorgesehen sind, daß, von der Fangwirkung abgesehen, alle in Richtung gegen die Auffangelektrode beschleunigten Tonen bis zum Ablauf der jeweils folgenden Beschleunigungsphase zuremittierenden Elektrode zurückkehren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie rotationssymmetrisch aufgebaut ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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