DE882769C

DE882769C - Verfahren und Einrichtung zur Trennung geladener Teilchen von verschiedenem e/m-Verhaeltnis

Info

Publication number: DE882769C
Application number: DEI5148A
Authority: DE
Inventors: Paul Otto Schissel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1950-12-02
Filing date: 1951-12-02
Publication date: 1953-07-13
Also published as: GB698850A; US2570158A; NL86953C; CH306176A; FR1049592A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer und insbesondere auf neue Verfahren, und Einrichtungen zur Trennung von Ionen von verschiedenem Verhältnis von Ladung zu Masse.
Eine bekannte Form eines Massenspektrometers enthält Einrichtungen zur Beschleunigung von Ionen, welche ein verschiedenes Verhältnis von Ladung zu Masse, im folgenden als e/m-Verhältnis bezeichnet, besitzen, mittels eines elektrostatischen

to Feldes in ein magnetisches Gleichfeld hinein, in welchem die Ionen dann in eine Mehrzahl von räumlich getrennten Ionenstrahlen aufgespalten werden, wobei innerhalb jedes Strahls das e/m-Verhältnis konstant ist. Um die erstrebenswerte hohe Auflösung in solchen Geräten zu erreichen, ist es jedoch notwendig, strahlbegrenzende Spalte und mit Öffnungen versehene Fokussierungsplatten zu verwenden, welche bei der Erfüllung ihrer Aufgabe die Stromausbeute, die bei einem gegebenen Ionenstrahl erreichbar ist, aber begrenzen. Daher besteht ein Hauptzweck der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und in der Schaffung von Einrichtungen zur Trennung von Ionen nach ihrem e/m-Verhältnis, bei welchen man zur Erzielung hoher Auflösung keine strahlbegrenzenden Einrichtungen längs des Ionenweges vorsehen muß.

Bei einer anderen Form eines Massenspektrometers werden eine Mehrzahl von. Hochfrequenz- und elektrischen Gleichfeldern benutzt, die nacheinander zur Wirkung kommen und eine Trennung

der Ionen dadurch (bewerkstelligen, daß nur diejenigen Ionen, welche ein gegebenes e/m-Verhältnis besitzen, alle Felder durchlaufen können. Diese Einrichtung ist jedoch nicht zur Herstellung hoher Strahlstromstärken geeignet, da die Ionen durch sämtliche Felder nur dann hindurchtreten, wenn sie nicht nur ein geeigneteis e/m-Verhältnis haben, sondern wenn auch der Zeitpunkt der Ionenerzeugung bezüglich der Phase des Hochf requenzfeldes richtig liegt. Daher hat die Erfindung außerdem vor allem noch zum Ziel, ein Verfahren und eine Einrichtung für Massenspektrometer zu schaffen, bei welchen die Trennung von Ionen mit einem gegebenen e/m-Verhältnis nicht vom Zeitpunkt der Ionenerzeugung abhängt.

Ein wichtiges Merkmal der im folgenden ausführlicher beschriebenen Erfindung besteht darin, Ionen mit verschiedenem e/m-Verhältnis mittels eines Wechselfeldes, d.h. eines elektrischen Hochf requenzfeldes, gegen die Kraft eines elektrostatischen Feldes oder Gleichfeldes zu be- · schleunigen, welches räumlich linear verteilt ist. Dabei führen· die Ionen mit einem gegebenen e/m-Verhältnis, das den¹ geeigneten Wert zu der . Frequenz des Hochfrequenzfeldes hat, einfache harmonische Schwingungen im Phase mit dem Hochfrequenzfeld aus, wodurch sie sich räumlich von Ionen eines anderen e/m-Verhältnisses absondern. Die in dieser Weise voneinander getrennten Ionen werden dann durch eine geeignete Elektrode gesammelt und bezüglich ihrer Stromstärke gemessen, um die Menge jeder vorhandenen Ionenart festzustellen.

Fig. ι ist eine graphische Darstellung, welche die Verteilung der Gleichspannung veranschaulicht, die bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen vorliegt; Fig. 2 ist eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 stellt einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform dar;

Fig. 4 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform ebenfalls im Schnitt;

Fig. 5 ist eine weitere graphische Darstellung der Gleichspannungsverteilung zum Zweck der Erläuterung der Erfindung;

Fig. 6 ist eine graphische Veranschaulichung zur Erläuterung gewisser Teile der Erfindung, und

Fig. 7 und 8 stellen eine vierte und fünfte Ausführungsform ebenfalls im Schnitt dar. Wenn man annimmt, daß eine räumlich parabolische Spannungsverteilung gemäß Kurve 1 in Fig. i, in welcher die Spannung V abhängig vom Abstand X dargestellt ist, vorliegen möge, und - zwar derart, daß der Scheitelwert 2 der Spannung 55· auf der F-Achse, d.h. in der Mittelebene 3 liegt, dann ist, da defmitionsgemäß das elektrostatische oder Gleichfeld gleich der negativen ersten Ab- ·"'" leitung der Spannung nach χ ist, ein linear verlaufendes elektrostatisches Feld beiderseits der Ebene 3 vorhanden, das von dieser Ebene aus nach beiden Richtungen zunimmt. Wenn man außerdem annimmt, daß ein räumlich begrenztes elektrisches Wechselfeld oder Hochf requenzfeld vorhanden sein möge, welches am Scheitelpunkt eine endliche Komponente in der Z-Richtung besitzt, dann werden die Ionen, welche in das Hochfrequenzfeld eingeführt wenden, diesem fortlaufend Energie entnehmen, sofern die Schwingungsperiode der Ionen im Hochfrequenzfeld gleich der Periodendauer dieses Feldes ist. Die zu diesem Zweck zu erfüllenden Bedingungen zwischen dem e/m-Verhältnis und der Frequenz des Feldes, lassen sich folgendermaßen ableiten: Aus der Newtonschen Bewegungsgleichung folgt

^d?x _ β — ■ ^δν ^7S

dt² ox ^w

in welcher m die Masse des Ions, χ die Auslenkung des Ions aus der y-Achse, e die Ladung des Ions und E die Feldstärke des elektrostatischen Feldes ist sowie V die Spannung, welche das Feld Έ erzeugt. Nun ist, wie erwähnt, Vräumlich parabolisch verteilt

wobei K eine Proportionalitätskonstante darstellt. Wenn man die Gleichung (2) partiell nach χ differenziert und in die Gleichung (1) einsetzt, so ergibt sich

dt²

(3)

Durch Integration der Gleichung (3) erhält man

x(t) = A sm

Kt +

(4)

wobei A und C Konstante sind.

Es war bereits oben erwähnt, daß man, um eine fortlaufende Beschleunigung von Ionen während ihrer Schwingbeiwegung im Hochfrequenzfeld zu erhalten, die Periodendauer T₁ der Ionenschwingung gleich der Periodendauer T^_F des Hochfrequenzfeldes machen muß. Man kann daher auf Grund der Gleichung (4) schreiben

Ti — 2π

eK

= Trf ,

und es ergibt sich aus Gleichung (5) m K

(5)

(6)

worin / die Frequenz des Hochfrequenzfeldes ist.

Aus dieser Berechnung, die zur Gleichung (6) führt, kann man ersehen, daß das e/m-Verhältnis der Ionen, welche eine fortlaufende Beschleunigung im elektrischen Hochfrequenzfeld erfahren, lediglich eine Funktion der Frequenz des Hochfrequenzfeldes ist. Daher werden Ionen eines gegebenen e/m-Verhältnisses, d. h. in Resonanz befindliche Ionen im Hochfrequemzfeld zu Schwingungen angeregt, bis sie eine genügende Energie angenommen haben, um die Bremskraft des elektrostatischen Feldes zu überwinden. Wenn die in Resonanz befindlichen Ionen nach jedem Durchlaufen des Hoch-

frequenzfeldes auch verschieden weit von der Mittelebene aus den Potentialberg hinauflaufen, so besitzen sie doch immer dieselbe Periodendaiuer und bleiben mit dem Wechselfeld in Phase. Nicht in Resonanz befindliche Ionen von anderem e/m-Verhältnis dagegen schwingen zwar ebenfalls mit konstanter Periodendauer, jedoch mit einer Periodendauer, die nicht gleich derjenigen des Hochfrequenzfeldes ist. Daher bleiben nicht in Resonanz ίο befindliche Ionen nicht in Phase mit dem Hochfrequenzfeld, und ihre Beschleunigung wird daher räumlich begrenzt.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein Massenspektrometer gemäß der Erfindung dargestellt, welches ein evakuierbares Gefäß 10 enthält, das an seinen beiden Stirnwänden mit einspringenden Einschmelzstellen 11 und 12 versehen ist. An genügend steifen Drähten 15 und 16, welche luftdicht durch diese Einschmelzstellen hindurchlaufen, sindbecherao förmige Kollektorelektroden 13 und 14 befestigt.

In der Mittelebene des Vakuumgefäßes, die durch eine strichpunktierte Linie 17 angedeutet ist, ist eine Elektronenquelle 18 angebracht, die aus einem Glühfaden 19, der von zwei Zuleitungsdrähten 20 und 21 gehaltert wird, besteht. Die Zuführungsleitungen 20 und 21 sind ebenfalls luftdicht in einer Einschmelzstelle 22 an der zylindrischen Wand des Vakuumgefäßes eingeführt. Zur Lieferung des Heizstromes für den Glühfaden 19 ist eine Gleichstromquelle, die als Batterie 23 dargestellt ist, an die Zuführungsleitungen 20 und 21 angeschlossen. Der Glühfaden 19 ist zum Teil von einer zylindrischen Abschirmung 24 umgeben, die ebenfalls auf der Zuführung 20 befestigt werden kann und dazu dient, die Lichtabstrahlung des Glühfadens in das Spektrometer zu vermindern, da dieses Licht dort unerwünschte photoelektrische Wirkungen hervorbringen könnte. Die aus dem Glühfaden 19 austretenden Elektronen werden, wie durch die punktierten Linien 25 angedeutet, durch eine öffnung 26 hindurch beschleunigt, die sich innerhalb einer runden Kammer 27 befindet, die als Elektronenfalle bezeichnet werden kann. Die Elektronenfalle 27 ist auf einer genügend starren Zuleitung 28 befestigt, die ebenfalls luftdicht durch den Preßfuß 22 hindurchgeführt ist und die Kammer 27 mit einer Gleichspannungsquelle verbindet, die ein geeignetes Beschleunigungspotential zwischen den Glühfaden 19 und die Kammer 27 legt. Ein Hochfrequenzfeld, welches eine Komponente in der Richtung der gemeinsamen Achse der Kollektorelektroden 13 und 14 besitzt, wird mit Hilfe von becherförmigen Ringelektroden 30 und 31 erzeugt, die mit den Mittelöffnungen 32 und 33 versehen sind. Die Elektroden 30 und 31 sind je an einer starren Zuleitung 34 und 35 befestigt, zwischen denen die Sekundärwicklung 36 eines Transformators 37 liegt. Die Hochfrequenzspannung kann den Elektroden 30 und 31 über den Transformator 37 von einem Oszillator 3S an der Primärwicklung 39 zugeführt werden. Der Oszillator 38 soll vorzugsweise auf verschiedene Frequenzen einstellbar sein, und zwar aus Gründen, die aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich werden.

Zwischen den Kollektorelektroden 13 und 14 kann mittels einer Mehrzahl von weiteren ringförmigen Elektroden 40 bis 43 und 44 bis 47 ein elektrostatisches oder Gleichfeld erzeugt werden. Alle diese Elektroden 40 bis 47 zusammen mit den Elektroden 30 und: 31 können mit Hilfe von Distanzstücken 48 gegeneinander isoliert und zueinander koaxial gehaltert werden und können mit Hilfe *der Schraubenbolzen 49, der Fingerfedern 50 sowie der Muttern 51 zu einem einzigen Bauteil vereinigt und in das Vakuumgefäß eingeführt werden. Um eine ebenfalls starr ausgebildete Zuführungsleitung 60 kann den Ringelektroden 40 bis 47 und den Hochfrequenzelektroden 30 und 31 eine Gleichspannung zugeführt werden. Zwischen den Ringelektroden liegen Widerstände 52 bis 59. Die Zuführungsleitung 6o> ist ebenfalls in dem Einschmelzfuß 22 angebracht und wird mit der positiven Klemme einer Gleichspannungsquelle, die als Batterie 61 dargestellt ist, verbunden. Die negative Klemme dieser Batterie liegt an der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 36. Man sieht also, daß die Widerstände 52 bis 55 und 56 bis 59 Spannungsteiler darstellen, die bei geeigneter Bemessung der Widerstands werte eine räum- go Hch parabolisch verteilte Spannung liefern, die von der Mittelebene 17 nach rechts und links bis zu den beiden Endelektroden 42 und 47 in positiver Richtung ansteigt. Diese Gleichfeldelektroden 43 und 47 sind über eineLeitung63 miteinander verbunden, um sicherzustellen, daß die beiden Endelektroden gleiches Potential annehmen.

In der Anordnung nach Fig. 2 werden, wenn man ein. geeignetes Gas, d. h. ein ionisierbares Medium über den Pumpstutzen 64 einführt, durch Zusammenstoß der Gaspartikel mit den vom Glühfaden 19 emittierten Elektronen in der Kammer 27 Ionen gebildet. Die so erzeugten Ionen werden von der Mittelebene 17 aus nach links oder nach rechts beschleunigt, je nachdem, welche der Elektroden 30 und 31 im Zeitpunkt der Entstehung eines Ions positiv oder negativ ist. Die Ionen bewegen sich dann vermöge der' ihnen im Hochfrequenzfeld erteilten kinetischen Energie gegen die Kraft des homogenen elektrischen Gleichfeldes auf die Kollektorelektrode 13 bzw. 14 zu, bis ihre ganze kinetische Energie in potentielle Energie umgewandelt ist. Sodann kommen sie zur Ruhe und beginnen unter dem Einfluß des elektrischen Gleichfeldes sich in umgekehrter Richtung zu bewegen. Wenn dabei ein Ion ein e/m-Verhältnis besitzt, welches die Gleichung (6) befriedigt, führt es eine einfache Schwingbewegung aus und gelangt wieder in den Wirkungsbereich des Hochfrequenzfeldes, und zwar genau um eine halbe Periodendauer der Hochfrequenzschwingung später, d. h. in einem Zeitpunkt, in dem die Polarität des Hochfrequenzfeldes sich umgekehrt hat. Infolgedessen erfährt ein solches Ion im Hochfrequenzfelde einen weiteren Zuwachs an kinetischer Energie in der umgekehrten Richtung und kann somit gegen die Kraft des elek-

trischen Gleichfeldes einen noch größeren Weg in der Richtung auf die andere Kollektorelektrode zurücklegen. Diese Vorgänge, bei denen also ein in Resonanz befindliches Ion eine einfache Schwingungsbewegiung ausführt und dabei in Phase mit diesem Feld bleibt, setzen sich fort, bis das betreffende Ion, genügend Energie aufgenommen hat, um die Potentialschwelle des elektrischen Gleichfeldes zu überwinden.
ίο Wenn die Ionen die richtige Masse oder Resonianzmasse haben, erhalten sie im Hochfrequenzfeld genügend Energie, um die Bremskraft des homogenen elektrischen Gleichfeldes zu überwinden und .treten somit durch die Ringelektroden 43 bzw. 47 hindurch, und zwar praktisch mit der kinetischen Energie Null, und treffen sodann auf die Kollektorelektrode 13 bzw. 14 auf. Diese Kollektorelektroden sind zueinander parallel geschaltet) so daß der ganze von ihnen gelieferte Ionenstrom durch den Widerstand 65 zum Erdungspunkt 65' fließt. Der vom _ Ionenstrom am Widerstand 65 erzeugte Spannungsabfall kann einem Verstärker 66 zugeführt werden, der eine Aufzeichnungsvorrichtung 67 steuert, so daß eine laufende Aufzeichnung der Ionenkonzentration stattfinden kann. Zwischen die Elektroden 43 und 47 einerseits und die Kollektorelektroden andererseits kann noch eine kleine negative Spannung, nämlich diejenige der Batterie 68, gelegt werden, um sicherzustellen, daß die aus den Elektroden 43 und 47 austretenden Ionen die betreffende Kollektorelektrode erreichen.

Es kann manchmal zweckmäßig sein, dafür zu sorgen, 'daß keine Ionen vorzeitig auf die verschiedenen in der Anordnung enthaltenden Elektroden auf treffen. Zu diesem Zweck können Spulen 69 und 70 auf dem Gefäß 10 zur Erzeugung eines axialen magnetischen Feldes angebracht werden, damit .die Ionen sich in der Nähe der gemeinsamen Achse der Kollektorelektroden 13 und 14 bewegen. Die'Wicklungen 69 und 70 können in Reihe geschaltet werden und werden durch eine als Batterie 71 dargestellte Gleichstromquelle gespeist. Ionen, welche ein anderes e/m-Verhältnis als das aus der Gleichung (6) hervorgehende besitzen, bleiben nicht in Phase mit dem Hochfrequenzfeld. Sie nehmen also nicht genügend Energie auf, um die Bremskraft in dem elektrischen Gegenfeld zu überwinden und eine der Kollektorelektroden zu erreichen. Noch allgemeiner als in Gleichung (6) kann die Bedingung hierfür folgendermaßen ausgedrückt werden:

η*Κ

in welcher η eine ungerade Zahl ist. Diese Gleichung bedeutet, daß außer denjenigen Ionen mit dem obengenannten- e/m-Verhältnis, welches aus Gleichung 6 hervorgeht, in der η = ι, auch Ionen, welche ein harmonisches e/m-Verhältnis besitzen

f gm 25 Ot V.T. 1 111

—γ-, —-— usw. I, m Resonanz kommen und daher mit dem Hochfrequeruzfeld in Phase bleiben und ihm bei jedem Durchgang Energie entnehmen. Dies scheint zunächst ein Nachteil zu sein, jedoch treten in der Praxis solche Harmonische sehr selten gleichzeitig auf, insbesondere, wenn man sich für Ionen mit einem e/m-Verhältnis von der Größenordnung ι : 100 interessiert.

Nach den oben wiedergegebenen Beziehungen beträgt die Auflösung R der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung

R =

m dm

2 E'

(8)

in welcher E der. Spitzenwert der Hochfrequenzspannung des-Oszillators 38 ist. Wenn die Spannung der Batterie 61 zu 1000 Volt gewählt wird und die Spitzenspannung des Schwingungeerzeugers 38 zu ι Volt, die Frequenz desselben auf 0,07 MHz eingestellt wird und die Einrichtung so aufgebaut ist, daß die Ringelektroden 43 und 47 einen Abstand von 20 cm besitzen, so werden Ionen mit einem Atomgewicht von etwa 100 auf die Kollektorelektroden 13 und 14 auftreffen. Dann beträgt die durch die Gleichung (8) definierte Auflösung etwa 1600.

In Fig. 3, in welcher die der Fig. 2 entsprechenden Bestandteile mit denselben Bezügszeichen versehen sind, ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher das oben erwähnte elektro- go statische oder Gleichfeld räumlich linear verteilt ist und diese Verteilung ohne die an Hand der Fig. 2 besprochenen Gleichfeldelektroden erreicht wird. Die Fig. 3 läßt erkennen, daß als Kollektoren zwei gegeneinander konvex gekrümmte Elektroden 75 und 76 vorhanden sind, welche gleichzeitig zur Erzeugung des erforderlichen linear verteilten elektrostatischen Feldes dienen. Die Elektrode 75 ist auf einem Stab 75' befestigt, welcher in die Wand des Gefäßes io eingeschmolzen ist, während die Elektrode 76 auf einer Zuführungsleitung 60 befestigt ist. Es läßt sich zeigen, daß, wenn die Elektroden 75 und 76 Rotationshyperboloide sind, mit der angedeuteten äußeren Schaltungsverbindung eine räumlich parabolische Spannungsverteilung, d. h. ein linear verteiltes elektrostatisches Feld zwischen diesen Elektroden herrscht. Man kann also gewünschtenfalls dieHyperboloidelektroden75 und 76 an Stelle der zahlreichen Gleichfeldelektroden und der zwischen, diesen befindlichen Widerstände nach Fig. 2 verwenden. Es ist jedoch zu beachten, daß die Konzentrierungsspülen 69 und 70 bei Verwendung der Elektroden 75 und 76 noch wichtiger sind als bei der Einrichtung nach Fig. 2, da Vertikalkomponenten im Gleichfeld, die mit Ausnahme auf der Mittelachse selbst vorhanden sind, Ionen aus dem Feld herauszulenken vermögen.

In Fig. 4, in welcher die mit Fig. 2 übereinstimmenden Bestandteile ebenfalls wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind, ist eine A.usführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher das Hochfrequenzfeld nicht an der Stelle der Mittelebene 17 erzeugt wird, sondern vielmehr außen beiderseits an das Gleichfeld anschließt, welches zwischen den Gleichfeldendelektroden 43 und 47 gebildet wird. Die Sekundärwicklung 36 des

Transformators 37, der vom Oszillator 38 gespeist wird, ist nämlich hier über die Batterie 68 an die positive Klemme der Batterie 61 angeschlossen, so daß die Potentiale der Spannungsteilerwiderstände 52 bis 59 mit der Hoehfrequenespannung des Oszillators 38 schwanken. Die Elektroden 30 und 31 sind über einen Kurzschlußbügel 80 miteinander verbunden, und die Elektrode 31 ist über eine Leitung 35 und den Widerstand 81 angeschlossen, um eine lineare Feldverteilung auf der Mittelebene 17 sicherzustellen.

Die Wirkungsweise der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist aus der Fig. 5 zu entnehmen, welche zunächst nochmals die Fig. 1 enthält. Die gegenüber Fig. 1 zusätzlich eingetragenen Kurven 82 und 83 veranschaulichen die Spannungsverteilung zwischen den Gleichfeldendelektroden 43 und 47 in zwei verschiedenen. Zeitpunkten, in denen das Hochfrequenzfeld nicht Null ist. Die Kurve 1 stellt wieder die beim Hochfrequenzfeld Null vorhandene Spannungsverteilung dar. Man kann somit feststellen, daß die Hochfrequenzspannung des Oszillators· 38 die Gleichspannung zwischen den Endelektroden 43 und 47 moduliert, d. h. daß die Hochfrequenzspannung die Anstiegssteilheit der parabolischen Spannungsverteilung und daher die Größe des Gleichfeldes verändert.

Wenn die Spannung ν des Oszillators 38 in Fig. 4 nach der Gleichung

ν = — E cos (ω t + Φ) (9)

verläuft, kann die Potentialfunktion V_x zwischen den Endelektroden. 43 und 47 folgendermaßen beschrieben werden:

V₁ (x, t) = [F- E cos (mt + Φ)] ¹J₂SxK (10)

In dieser Gleichung bedeutet V das Gleichfeldpotential nach der oben gegebenen¹ Definition und vS¹ eine Konstante. Es läßt sich nun zeigen, daß die Bewegungsgleichung der Ionen, welche durch Elektronenaufprall auf die Gasmoleküle erzeugt werden, die folgende ist:

4r + Γ—
dt² L ^m

- **L S cos
^m

Diese Gleichung läßt sich nach geeigneten Substitutionen in die folgende Gleichung umformen:

φ- + \a — 2q cos 2ßIx = 0,

in welcher β = Va (co t + Φ) und

4eVS

a =

2eES co²m

(12)

(13) (14)

Die Gleichung (12) ist als Mathieusche Gleichung bekannt, und für die vorliegende Betrachtung ist festzuhalten, daß- für bestimmte Werte von α und q Resonanz eintritt. Dies bedeutet, daß Ionen, mit einem bestimmten e/m-Verhältnis fortlaufend Energie aus dem Oszillator 38 entnehmen und daher schließlich entweder die Kollektorelektrode 13 oder 14 erreichen. Ionen mit einem anderen e/m-Verhältnis, welche sich nicht in Resonanz befinden, entnehmen dem Oszillator 38 nicht fortlaufend Energie und gelangen daher nicht auf die Kollektorelektroden.

In Fig. 6 ist eine Darstellung der Stabilitätsverhältnisse für Mathieusche Funktionen ganzer Ordnung enthalten, in welcher q längs- der .ar-Ach.se und α längs der jz-Achse aufgetragen ist. Wenn man die Gleichung (13) durch Gleichung (14) dividiert, so erhält man

a —

2V

(15)

Wenn die Werte V und E durch Konstanthaltung der Spannung der Batterie 61 und des Oszillators 38 beide konstant gehalten werden, erhält man hieraus eine gerade Linie mit einem Neigungswinkel

" V
von -^=-, Linien, welche die Gleichung (15) für

L·

zwei verschiedene Werte des Neigungswinkels befriedigen, sind durch die punktierte Linie 84 und die ausgezogene Linie 85 dargestellt.

Wenn die Spannung der Batterie 61 und des Oszillators 38 konstant gehalten werden derart, daß die Einrichtung längs der punktierten Linie 84 arbeitet, nehmen bei einer bestimmten Frequenz des Oszillators 38 Ionen mit einem solchen e/m-Verhältnis, daß die Werte α und q in die schraffiert angedeuteten Bereiche der Fig. 6 fallen, fortlaufend Energie aus dem Oszillator 38 auf und. erreichen schließlich die Kollektorelektrode 13 oder 14. Ionen mit einem e/m-Verhältnis solcher Größe, daß α und q in die nicht schraffierten Bereiche der Fig. 6 fallen, nehmen, nicht fortlaufend Energie auf und erreichen daher die Kollektorelektroden nicht. Die schraffierten Bereiche in Fig. 6 entsprechen einem instabilen, die nicht schraffierten Bereiche einem stabilen Betrieb. Die beste Trennung zwischen Ionen von verschiedenem e/m-Verhältnis läßt sich daher erreichen, wenn die Werte von V und E so gewählt werden, daß die Einrichtung beispielsweise längs der Linie 85 arbeitet. Da die Linie 85 praktisch nur durch einen instabilen Bereich hindurchgeht, werden nur Ionen eines solchen e/m-Verhältnisses, daß ihre Werte α und q in diesen Bereich fallen, fortlaufend Energie aus dem Hochfrequenzfeld entnehmen.

Außerdem ist es empfehlenswert, die Arbeitskennlinie, also z. B. die Linie 85, so nahe als mög- lieh zur Vertikalachse in Fig. 6 zu wählen, damit Ionen mit einem e/m-Verhältnis, welches sehr nahe zum gewünschten e/m-Verhältnis' liegt, nicht ebenfalls eine kontinuierliche Beschleunigung erfahren.

Wie aus den vorstehenden Darlegungen erkennbar, wird die Spannung der Batterie 61 und die Spannung des Oszillators 38 in Fig. 4 vorzugsweise konstant gehalten. Zur Erzielung eines Massenspektrums hat man die Frequenz des Oszillators 38 zu ändern. Wenn man die Frequenz als unabhängige Veränderliche wählt, kann zur Bestimmung

des jeweiligen e/m-Verhältnisses der von den Elektroden 13 und 14 aufgenommenen Ionen die folgende Gleichung verwendet werden:

^(l6)

Wenn man die Größen — und Λ so wählt, daß

der Arbeitspunkt der Einrichtung nach Fig. 4 in einen instabilen Bereich in Fig. 6 fällt, hat man die Frequenz des Oszillators 38 zu ändern, um Ionen mit einem nach Gleichung (16) berechneten e/m-Verhältnis an den Elektroden 13 und 14 zu gewinnen. ■ In Fig. 7 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher ein Aufbau nach Fig. 3 zusammen mit einer Schaltung nach Fig. 4 verwendet -wind. Wie sich aus der Verwendung der mit Fig. 3 bzw. 4 übereinstimmenden Bezugs-2* zeichen ergibt, ist der Eingangswiderstand 65 "an die Sekundärwicklung 36 des Transformators 37 angeschlossen, wdbei die andere Klemme der Sekundärwicklung mit der Batterie 6i; verbunden ist. Die gekrümmten Elektroden 75 und 76 sind wieder in Form von Rotationshyperboloiden ausgeführt, um die bereits an Hand der Fig. 3 besprochene Gleichfeldverteilung zu erreichen. Die Bewegungsgleichungen der Ionen ist wieder die Gleichung (12), ebenso· wie es an Hand der Fig. 4 erläutert wurde.

,Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 sollen die Ionen das Hochfrequemzfeld innerhalb einer Zeitdauer passieren, die kurz im Vergleich zu der Periodendauer dieses Hochfrequenzfeldes ist, damit sie bei jedem Durchlaufen dieses Feldes einen Energiezuswachs erfahren. Dementsprechend sollen die Elektroden) 30 und 31 möglichst nahe zueinander benachbart angeordnet werden, soweit die Elektronenf angkammer 27 dies zuläßt. Es sei außerdem bemerkt, daß bei der Bildung von Ionen durch Aufprall der seitens des Glühfadens 19 emittierten Elektronen auf die Gasmoleküle diese Ionen aus der Fangkammer 27 lediglich durch Beschleunigung im Hoehfrequenzfeld austreten können .und daß einige Ionen möglicherweise nicht genügend Energie aufnehmen, um ihre Schwingbewegung im Hochfrequenzfeld beginnen zu können. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 treten diese Schwierigkeiten jedoch nicht auf, da der ionisierende Elektronenstrom aus der Mittelebene 17 heraus verlegt ist.

Bei der- Ausführungsform nach Fig. 8, in der wieder für entsprechende Bestandteile die gleichen Bezugszeichen wie.oben verwendet sind, wird das erforderliche, räumlich linear verteilte elektrische Gleichfeld, d.h. die parabolische räumliche Spannungsverteilung, mittels einer Anzahl von räumlich getrennten plattenförmigen Ringelektroden 100 bis 109 und mittels der Spannungsteilerwiderstände So ' 110 bis 117 erzeugt. Neben der Mittelebene 17 ist eine Elektronenquelle 118, bestehend aus der Glühkathode ι ig·, einem Abschirmzylinder 120 und den Zuführungsleitungen 121 und 122 vorgesehen. Der Heizstrom für den Glühdraht 119 wird von einer als Batterie 123 dargestellten und an die Zuleitungen 12α und 122 angeschlossenen Gleichstromquelle geliefert. Eine Elektronenf angkammer 124 ist auf einer starren Zuführungsleitung 125 zwischen den Gleichfeldelektrodeni 105 und 106 befestigt. Die Spannung zur Beschleunigung derElektronen vom Glühdraht 119 in die Elektronenf angkammer 124 wird durch eine Gleichstromquelle 126 geliefert. Die Fangkammer 124 'befindet sich auf einem etwa in der Mitte zwischen den Potentialen der Ringe 105 und 106 liegenden Potential, da sie an eine Batterie 127 angeschlossen ist, welche zwischen der positiven Klemme der Batterie 126 und der Mittelanzapfung 62 der Transformatorwicklung 36 liegt. Wie die Zeichnung erkennen läßt, sind die Elektroden 104 und 105, die auf den Zuleitungen 128 und 129 befestigt sind, so· nahe wie möglich zueinander angeordnet, um die axiale Erstreckung des vom Oszillator 38 erzeugten: Hochfrequenzfeldes möglichst klein zu halten.

Man sieht, daß die durch Elektronenbombardement innerhalb der Kammer 124 erzeugten Ionen sofort im den. Einflußbereich des elektrostatischen Gleichfeldes kommen, so daß sie durch das Hochfrequenzfeld zwischen den Ringen 104 und 105 schon das erste Mal mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit hindurchlauf en. Außerdem ist. durch die Heraiusverlegung der Elektronenf angkammer 124 und der Elektronenquelle 118 aus der Mittelebene 17 der geringere Abstand zwischen den Elektroden 104 und 105 ermöglicht worden. Man sieht auch, daß die Fangkammer 124 und die Elektronenquelle 118 ebensogut zwischen zwei anderen der Gleichfeldelektronen angebracht werden können und auch im letzteren Fall noch zu dem gewünschten Ergebnis· führen. Diese Kunstgriffe sind ebenfalls auf die Ausfühimngsformen nach Fig. 3 und 7 anwendbar, in welchen wegen der hyperboloidförmigen Elektroden 75 und 76 überhaupt keine Mehrzahl von Gleichfeldelektronen notwendig ist.

Bei denjenigen Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen eine Mehrzahl von Gleichfeldelektroden und als Spannungsteiler dienende Widerstände zur Herstellung eines linear verteilten Gleichfeldes vorhanden sind, können die Gleichfeldelektroden in gleichen Albständen angeordnet sein und die erforderliche parabolische Spannungsverteilung durch Auswahl geeigneter Werte für die Größe 'der zwischen den Elektroden liegenden Widerstände erreicht werden. Man kann jedoch auch andere Anordnungen verwenden, nämlich solche, bei denen die Gleichfeldelektroden ungleiche Abstände besitzen, wie sich aus den vorstehenden Darlegungen ohne weiteres ergibt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zur Massenspektrometrie sowie zur Bildung und Trennung von Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen, in einem elekirischen Wechselfeld gegen die Kraft eines

elektrischen Gleichfeldes beschleunigt werden, welches seinerseits räumlich linear verteilt ist, derart, daß die Ionen eines gegebenen e/m-Verhältnisses in dem Wechselfeld einfache harmonische Schwingungen ausführen, dabei räumlich von den Ionen anderen e/m-Verhältnisses getrennt werden, und daß schließlich die voneinander getrennten Ionen getrennt aufgefangen werden.

ίο 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichfeld mittels einer räumlich parabolisch verteilten Gleichspannung erzeugt wird, daß die Ionen eines gegebenen e/m-Verhältnisses mit dem Wechselfeld phasen-' gleiche hin und her gehende Bewegungen ausführen und schließlich die Bremskraft des Gleichfeldes überwinden, während Ionen eines anderen e/m-Verhältnisses diese Bremskraft nicht überwinden.

3. Massenspektrometer zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei. welchem innerhalb eines Vakuumgefäßes zwei getrennte Elektroden vorgesehen sind und in den Raum zwischen ihnen Elektronen eingeführt werden

as sowie in das Vakuumgefäß ein ionisierbares Medium eingeleitet wird, so daß Ionen verschiedenen e/m-Verhältnisses entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen den Elektroden ein linear verlaufendes Gleichfeld mittels einer räumlich parabolisch verlaufenden Gleichspannung mit einem Scheitelwert in der Mittelebene der Elektroden und einer positiven Zunahme nach jeder Elektrode hin erzeugt wird, daß ferner zwischen den Elektroden ein elekirisches Wechselfeld erzeugt wird und daß durch das Zusammenwirken des Gleich- und des Wechselfeldes in Resonanz befindliche Ionen fortlaufend im Wechselfeld beschleunigt werden, während nicht in Resonanz^r befindliche Ionen nur eine beschränkte Beschleunigung erfahren, und daß schließlich Einrichtungen zur Sammlung und Messung der in Resonanz befindlichen Ionen vorgesehen sind.

4. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, welches längs der gemeinsamen Achse der Elektroden verläuft, vorgesehen sind.

5. Massenspektrometer nach Anspruch 3 So oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden die Form von Rotationshyperboloiden besitzen.

6. Massenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen · den erwähnten Elektroden zwei weitere getrennte Elektroden beiderseits der Mittelebene angeordnet sind, daß an die weiteren Elektroden eine Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossen ist und daß in dem so erzeugten Hochfrequenzfeld Ionen eines gegebenen e/m-Verhältnisses gegen die Kraft der parabolisch verteilten Spannung abwechselnd in der einen und der anderen Richtung beschleunigt werden derart, daß sie schließlich die Bremskraft, überwinden, während Ionen eines abweichenden e/m-Verhältnisses diese Bremskraft nicht überwinden.

7. Massenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspannungsquelle in Reihe mit der Gleich-Spannungsquelle geschaltet' ist, zum Zweck, die Steilheit der parabolisch verteilten Spannung zeitlich zu verändern, derart, daß Ionen eines gegebenen e/m-Verhältnisses in der einen und in der anderen Richtung zwischen diesen Elektroden beschleunigt werden, bis sie eine bestimmte axiale Auslenkung erfahren, während Ionen eines abweichenden e/m-Verhältnisses keine so starke Auslenkung erfahren.

8. Massenspektrometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Reihe von auf der Achse befindlichen Elektroden zur Erzeugung eines Gleichfeldes auf einer Seite der Mittelebene des Vakuumgefäßes und auf der anderen Seite dieser Mittelebene eine zweite Reihe von auf der Achse befindlichen Gleichfeldelektroden vorhanden sind, daß die Gleichspannungsquelle an die erste und die zweite Elektrodenreihe angeschlossen ist, zum Zweck, an diesen Elektroden eine räumlich parabolisch verlaufende Spannungsverteilung zu erzeugen, deren Scheitelwert mit der Mittelebene zusammenfällt und beiderseits der Mittelebene zunimmt, und daß das Hochfrequenzfeld zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenreihe quer zur Mittelebene erzeugt wird.

9. Massenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichfeldelektroden an eine eine Spannungsteilung bewirkende Einrichtung angeschlossen sind und daß diese Einrichtung so beschaffen ist, daß die Gleichfeldelektroden an einer räumlich parabolisch verteilten Spannung liegen, deren Scheitelwert mit der erwähnten. Mitteleibene zusammenfällt und die beiderseits dieser Ebene ansteigt.

10. Massenspektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die der Mittelebene am nächsten, benachbart liegenden Gleichfeldelektroden als Wechselfeldelektroden dienen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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