DE963821C - Massenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer, d. h. eine Einrichtung zum Analysieren, gegebenenfalls zum Scheiden von Stoffen in ihre Bestandteile, wobei die zu untersuchende Substanz in Form eines Gases ionisiert wird, worauf die Ionen der Einwirkung elektrischer und/oder magnetischer Felder derart unterworfen werden, daß sich eine Scheidung der Bestandteile nach der Masse, wenigstens nach dem Verhältnis zwischen der Masse und der Ladung, ergibt.

Die üblichsten Massenspektrometer erfordern ein verhältnismäßig starkes Magnetfeld großer Ausdehnung und ausreichender Homogenität. Infolgedessen sind die Geräte umfangreich, schwer und teuer.

Zwar können diese Massenspektrometer eine scharfe Scheidung der Stoffe ergeben, aber dies ist nicht immer wichtig, da für allerlei Untersuchungen häufig ein verhältnismäßig allgemeiner Eindruck der Zusammensetzung eines Gemisches genügen kann.

Die Erfindung bezweckt, ein Massenspektrometer einfacher Bauart zu schaffen, das dennoch gute Ergebnisse liefern kann.

Ein Massenspektrometer nach der Erfindung enthält einen Ionenerzeuger und eine Fangelektrode, zwischen denen erfindungsgemäß zwei Leiter in Form einer Doppelschraube derart angeordnet sind, daß deren Achse sich mit der Verbindungslinie zwischen Ionen-

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erzeuger und Fangelektrode deckt und zwischen den beiden Leitern der Doppelschraube mit Hilfe eines Generators eine Wechselspannung solcher Frequenz anlegbar ist, daß die Ionen einer bestimmten Masse die Länge eines einzigen Wicklungsganges in einer einzigen Periode durchlaufen und die Stärke des abgelenkten Ionenstromes als Funktion der Frequenz meßbar ist.

Die Ionen, deren Geschwindigkeit die gestellte Anförderung erfüllt, werden aus ihren Bahnen abgelenkt; die übrigen werden innerhalb der Doppelschraube in geringerem Maße abgelenkt. Nachdem die abgelenkten Ionen die Doppelschraube verlassen haben, bleibt ihre Geschwindigkeit in der Ablenkrichtung erhalten. Indem die Frequenz der an die Doppelschraube angelegten Wechselspannung geändert wird, können Ionen verschiedener Maße abgelenkt und aufgefangen werden. Daß nur Ionen mit bestimmter Geschwindigkeit und somit mit einer bestimmten

ao (Verhältnis zwischen Ladung und Masse) Masse abgelenkt werden, läßt sich einfach wie folgt erklären. Wenn angenommen wird, daß der Durchmesser des Ionenbündels, das in der Achsenrichtung der Doppelschraube eintritt, gegenüber dem Durchmesser der Doppelschraube und der Steigung hinreichend klein ist, kann annähernd angenommen werden, daß die Stärke des auf die Ionen wirkenden radialen Feldes von der Stelle im Bündel und von etwaigen bereits vorhandenen Ablenkungen unabhängig ist.

Die auf die Ionen ausgeübte radial gerichtete Kraft ändert sich mit der Zeit infolge der der Doppelschraube zugeführten Wechselspannung, und zwar nach einer Kosinusfunktion. Die Komponente der Kraft parallel zu einer bestimmten Ebene parallel zur Achse ändert sich infolge des schraubenförmigen Feldes als Funktion des in der Schraube zurückgelegten Weges, und zwar gleichfalls nach einer Kosinusfunktion. Die erzielte radial gerichtete Gesamtgeschwindigkeit kann also mit Ausnahme eines Faktors als

AQ

cos (ο t cos 2 π — dt s

geschrieben werden, wobei χ den in der Schraube in der Zeit t zurückgelegten Abstand und s den Wicklungsgang der Schraube bezeichnet. Für Ionen, die der vorerwähnten Bedingung entsprechen, kann j edoch

für 2 π — auch ω t geschrieben werden; für alle anderen

ist dies η t, wobei η größer oder kleiner als 1 sein kann. Im ersteren Falle ist

cos ω t cos 2 π

— dt = I cos² cotdt = — —ωί A sincoi οοΞωί).

sj c ' - '

Dies bedeutet, daß die erzielte seitwärts gerichtete Geschwindigkeit proportional mit der in der Schraube zurückgelegten Strecke zunimmt, mit Ausnahme des bald vernachlässigbaren Gliedes ^x/₂ sin ω t cos ω · t. Für den zweiten Fall ist das Ergebnis des Integrals die Summe zweier Sinusfunktionen; dies heißt, daß die seitwärts gerichtete Geschwindigkeit nicht mit der zurückgelegten Strecke zunimmt, sondern sich mit der Zeit nach denjenigen Funktionen ändert, die nur einen geringen Wert erreichen können.

Die Richtung, in der für die eine Art von Ionen die seitwärts gerichtete Geschwindigkeit gerichtet ist, hängt von der Phase der Spannung in der Doppelschraube beim Eintritt der Ionen ab. Da diese für alle Ionen verschieden ist, ist auch die Ablenkrichtung verschieden. Da nach dem Verlassen der Doppelschraube die seitwärts gerichtete Geschwindigkeit nicht mehr zunimmt, bewegen sich abgelenkte Ionen über eine Kegelfläche. Es ist nicht erforderlich, die Doppelschraube als Zylindersehraube auszubilden, aber eine Doppelschraube, die um eine geeignet gewählte Umdrehungsfläche gewunden ist, deren erzeugende Linie von der Eintrittsseite der Ionen ab eine positive erste und zweite Ableitung hat, kann eine bessere Verringerung des Einflusses der Inhomogenität des Feldes auf bereits abgelenkte Ionen ergeben.

' Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, die schemaüsch ein Massenspektrometer nach der Erfindung darstellt.

Mit ι ist ein langgestrecktes Glasrohr mit aufgeweiteten Enden bezeichnet, in dem eine Ionenquelle 2 und ein Fangelektrodensystem 3 angebracht sind. Die Doppelschraube ist mit 4 bezeichnet; das Fangelektrodensystem besteht aus einem Ring 5 und einer Platte 6. An die Doppelschraube ist ein Hochfrequenzgenerator 7 mit Gegentaktausgang angeschlossen, und mit dem Ring 5 ist ein Strommeßgerät 8, z. B. ein Elektronenstrahloszülograph, verbunden. Der Ionenerzeuger hat eine Beschleunigungsspannung von ι kV, so daß di. beiden Elektroden 5 und 6 auch eine Spannung von 1 kV (negativ) gegenüber der Kathode 9 der Ionenquelle haben, ähnlich wie eine Beschleunigungselektrode 10. Die Doppelschraube hat 2 χ 54 Windungen mit einem Wicklungsgang von 6 mm und einem Durchmesser von 12,5 mm. Der Hochfrequenzgenerator 7 liefert eine Wechselspannung mit Frequenzen, die von 3 bis 40 MHz regelbar sind, und mit einer Scheitelspannung von einigen 10 V. Daher ist das Massenspektrometer für Massen von etwa 100 bis 10 (bei einfacher Ladung) geeignet. Die Ladung der abgelenkten, von der Ringelektrode 5 aufgefangenen Ionen wird durch das Meßgerät 8 hindurchgeführt. Ist letzteres ein Elektronenstrahl-Oszillograph, so kann z. B. die senkrechte Ablenkung des Elektronenbündels die Größe des Ionenstroms und die waagerechte Ablenkung deren Maße angeben, indem die Frequenz des Hochfrequenzgenerators im Gleichlauf mit der Zeitbasis geändert wird. Obgleich die erzielten Ablenkungen bei der gleichen Windungs-

zahl, dem gleichen Wicklungsgang und der gleichen Hochfrequenzspannung weniger groß sind, kann die Doppelschraube auch auf die Außenseite des Rohrs gewickelt werden. Die Herstellung des Geräts ist dabei einfacher.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Massenspektrometer mit einem Elektronenerzeuger und einer Fangelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leiter in Form einer Doppelschraube derart im Spektrometer angeordnet sind, daß die Achse der Schraube sich mit der Verbindungslinie des Ionenerzeugers mit der Fangelektrode deckt und mit Hilfe eines Generators eine Wechselspannung zwischen den Leitern der Doppelschraube anlegbar ist und die Frequenz dieser Spannung derart bemessen ist, daß die Ionen einer bestimmten Masse die Länge eines einzigen Wicklungsganges in einer einzigen Periode so durchlaufen und die Stärke des abgelenkten Ionenstromes als Funktion der Frequenz meßbar ist.
2. 2. Massenspektrometer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle und die Fangelektrode an den aufgeweiteten Enden eines sg Glasrohrs angeordnet sind und daß die Doppelschraube auf der Innenseite oder auf der Außenseite des Rohrs angebracht ist.
3. 3. Massenspektrometer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschraube auf eine Umdrehungsebene gewunden ist, deren erzeugende Linie, von der Eintrittseite. der Ionen ab gesehen, eine positive erste und zweite Ableitung hat.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,

   © 609 708/303 11.56 (709 514/9-7 5.57)