NL8601492A - Verbeteringen bij massaspectrometers. - Google Patents

Description

'ï»

Verbeteringen_bij_massasoectrometers

Deze uitvinding heeft betrekking op massaspectrometers en in het bijzonder, alhoewel niet uitsluitend, op massaspectrometers geschikt om te gebruiken in hoogvacuumlekdetectiestelseis.

Massaspectrometers zijn algemeen bekend om te gebruiken bij 5 het analyseren van gasmengsels in het algemeen en voor lekdetectie-toepassingen in het bijzonder. Dergelijke massaspectrometers werken typisch door het gebruiken van een stroom van electronen met hoge snelheid, gewoonlijk versneld vanuit een electrisch verwarmde draad, om een te testen gas te ioniseren, dat binnengevoerd wordt in de 10 massaspectrometer. Andere ionisatiemiddelen, bijvoorbeeld foto-ionisatie door een laserbundel, zijn eveneens mogelijk.

De geïoniseerde componenten van het te analyseren of op andere wijze te detecteren gas worden versneld naar een anode of collector van de massaspectrometer via een nauwkeurige baan, die 15 electrostatisch of magnetisch gewijzigd kan worden, om te verzekeren dat voor een gegeven electrisch of magnetisch veld, zoals het geval kan zijn, alleen gasionen van een gekozen massa/lading-verhouding de anode bereiken om te detecteren en om te meten.

In het geval van een toepassing voor het testen van lekken, 20 waar het gekozen meetgas binnengevoerd wordt inde massaspectrometer, wordt het electrische of magnetische veld zo gekozen dat de meetgas-ionen alleen selectief de anode of de collector bereiken.

Massaspectrometers die magnetische afbuiging van de ionenbundel geven in het bijzonder voor toepassingen bij het testen van 25 lekken zijn algemeen bekend. In dergelijke bekende inrichtingen bevinden ionen, onderworpen aan afbuiging, zich in het algemeen in de vorm van een bundel met een langwerpige rechthoekige dwarsdoorsnede waarbij de lengteafmeting van de bundel loodrecht staat op de poolstukzijden van de magneet welke de ionenbundel-afbuiging levert.

30 Een dergelijke bekende ionenbundelvorm vertoont een aantal nadelen. Het meest belangrijke nadeel komt voort uit de behoefte aan het verschaffen van een geschikte gevoeligheid, dat wil zeggen een geschikte ionenbundeldichtheid en dienovereenkomstig een anode- ·££ƒ>*} λ A 'Λ ^ Q Ki f- * y* - 2 - of collectorstroom, zonder onaanvaardbaar afnemende spectrometer-selectiviteit. Deze eis schrijft in het algemeen een relatief smalle bundel voor om de massaspectrometerselectiviteit te behouden terwijl de lengte van de bundel vergroot wordt om een 5 geschikte ionenbundeldichtheid te verzekeren.

Elke uitbreiding van de lengte van de ionenbundel in dergelijke bekende massaspectrometers vereist een grotere scheiding van de magneetpoolstukken die de bundelafbuiging geven en dit op zijn beurt legt strenge eisen op aan de gevoeligheid indien 10 grote en kostbare magneten met groot vermogen vermeden moeten worden.

Dienovereenkomstig is het een doel van de onderhavige uitvinding een verbeterde massaspectrometer te leveren, in het bijzonder maar niet uitsluitend voor het detecteren van lekken.

15 De onderhavige uitvinding in meest brede zin verschaft een massaspectrometer, omvattende een omsloten ruimte die geëvacueerd kan worden en die een te analyseren of een te detecteren gas kan opnemen, organen binnenin de besloten ruimte voor het ioniseren van het binnengevoerde gas en voor het afgeven van een 20 bundel gasionen, zo opgewekt, samen met een magneet voor het afbuigen van de ionenbundel naar een collector binnenin de omsloten ruimte, dat de ionen-genererende organen geschikt zijn om een ionenbundel te leveren met een langwerpige nagenoeg rechthoekige doorsnede, waarbij de lange bundelas evenwijdig loopt met de zijden 25 van de magneetpoolstukken die de ionenbundelafbuiging leveren.

In een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding dat de voorkeur heeft wordt de langwerpige rechthoekige ionenbundel opgewekt door botsing met een bundel van electronen die versneld zijn vanuit een electrisch verwarmde draad van nagenoeg dezelfde lengte 30 als die van de vereiste ionehbundel.

Sen uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding zal nu in het bijzonder beschreven worden bij wijze van voorbeeld onder verwijzing naar het begeleidende tekeningen waarin: een fig. 1 een aanzicht in dwarsdoorsnede is van/massaspectro-35 meter die een ionenbundelstructuur levert in overeenstemming met §3$14S2 •\ . * - 3 - de onderhavige uitviding; en fig. 2 een bovenaanzicht is van de massaspectrometer-inrichting uit fig. 1 dat de baan van de afgegeven ionenbundel aangeeft.

5 Onder verwijzing nu naar fig. 1 van de tekeningen omvat de massaspectrometer volgens de onderhavige uitvinding een niet- ferromagnetische behuizing, in het algemeen aangegeven met 2, die geschikt is om geevacueerd te worden door de bekende combinatie van een diffusiepomp en een voorpomp, en waarin een meetgas 10 binnengevoerd kan worden om te detecteren, en om te meten. Andere bekende werkwijzen voor het evacueren van de massaspectrometerbehui- *“6 zing tot de vereiste druk typisch 10 mbar kunnen echter aangewend worden.

De behuizing 2 strekt zich uit in de ruimte tussen de pool-15 stukken van een externe permanente magneet 4 met hoge coërciviteit met poolzijden 6 en 8, die zich uitstrekken in de lengterichting van de massaspectrometer. De zijden van de poolstukken 6, 8 zijn planparallel en zijn voldoende lang om in dit uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding een afbuiging van 90° van de ionen die de ruimte 20 tussen de poolstukken binnenkomen te geven.

Binnenin de behuizing 2 en aangrenzend aan de zijwanden van de magneet 4 wordt een ionisatiekamer 10 aangebracht waarbinnen een uniforme potentiaal aangehouden wordt en waarbinnen eveneens het ioniseren van het meetgas door electronen cp geschikte wijze 25 kan plaatsvinden. De ionisatiekamer 10 bezit eindwanden, voorzien van spleten die zich uitstrekken in de lengterichting van de magneet 4 en de massaspectrometer om het passeren van electronen mogelijk te maken en hij bezit geperforeerde zijwanden om het passeren van ionen, opgewekt door botsing met de electronen, mogelijk te 30 maken.

De ioniserende electronen worden opgewekt door een langwerpige electrisch verwarmde draad 12, aangebracht nabij één spleet van de ionisatiekamereindwand en zich uitstrekkende in de lengte van en voorbij de spleet in de ionisatiekamer. Op deze wijze wordt 35 een electronenbundel, in lengte gelijk aan die van de ionisatiekamer 3801492 - 4 - en van de massaspectrometer afgegeven voor het ioniseren.

Electronen uit de draad worden versneld door platen 14 en 16, die negatief geladen worden ten opzichte van de electronen-bundel en die het ionisatieproces versterken.

5 Aangrenzend aan de buitenste geperforeerde zijwand van de ionisatiekamer 10 wordt een positiefgeladen terugstootplaat 18 aangebracht, werkzaam om ionen opgewekt binnenin de kamer 10 terug te stoten en te versnellen naar een negatief geladen anodeplaat 20. De anodeplaat 20 wordt eveneens voorzien van een spleet 22 die zich 10 uitstrekt in de lengterichting van de massaspectrometer om het voor een langwerpige bundel van ionen gelijk in lengte aan die van de massaspectrometer weer mogelijk te maken de ruimte tussen de poolstukken 6, 8 van de afbuigmagneet 4 binnen te treden.

De vorm van de spleet in de anode 20 is geschikt om te 15 verzekeren dat de ionenbundel 21 die de magneetruimte binnen treedt een lengte bezit gelijk aan de lengte van de massaspectrometer en een breedte bezit die het mogelijk maakt dat een grote ionenbundel-dichtheid bereikt wordt zonder de behoefte· 'de scheiding van de magneetpoolstukken uit te breiden.

20 Aan de magneet 4 wordt een juk 24 vastgemaakt, dat hulp- poolstukken 26, 28 die het ionisatiegebied van de massaspectrometer insluiten verschaft. Het juk 24 vormt een tweede magnetisch circuit en verschaft een relatief zwak veld binnenin het ionisatiegebied teneinde de electronenbundel te dwingen vanaf de draad 12 in een 25 schroeflijnvormige baan voort te gaan door de ionisatiekamer 10 heen. Een dergelijke voortgang vergroot de effectieve electronen-bundeldichtheid binnenin de ionisatiekamer 20 en vergroot verder het ionisatierendement.

De langwerpige ionenbundel 21 uit de onderhavige uitvinding 30 wordt, wanneer hij binnentreedt in de ruimte tussen de poolstukken 6 en 8, afgebogen met dezelfde kromtestraal langs zijn gehele lengte en voor het invallen op een collector 30 door middel van een positief geladen afbuigplaat 32.

De sterkte van het magneetveld tussen de poolstukken 6 en 8 35 samen met de versnelspanningen aangewend tussen de ionisatiekamer 8601432 - 5 - en plaat 20 worden gekozen teneinde te verzekeren dat alleen die ionen met de massa/lading-verhouding van het meetgas de collector 30 bereiken.

Men zal begrijpen, dat, alhoewel de uitvinding beschreven 5 is onder verwijzing naar het detecteren en het meten van een meetgas dat de massaspectrometer binnentreedt, hij eveneens tcegepast kan worden door het gebruik van variabele versnellingspanningen en/of magneetveldsterkten voor het analyseren van gasmengsels.

Men zal eveneens begrijpen dat de onderhavige uitvinding 10 het gebruik van langwerpige ionenbundels mogelijk maakt, die niet beperkt worden door de ruimte tussen de poolstukken van de afbuig-magneet en dat dienovereenkomstig mogelijk gemaakt wordt dat een hoge ionenbundeldichtheid bereikt wordt. Op deze wijze kan de gevoeligheid van de massaspectrometer voor het testen van lekken of 15 voor het analyseren van gassen aanzienlijk vergroot worden zonder verkleining van de massa/lading-selectiviteit.

Alhoewel de uitvinding beschreven is onder verwijzing naar de planparallelle poolstukken die een homogeen ionen-afbuigend veld geven kan de scheiding van de poolstukken veranderd worden om veld-20 gradiënten te leveren, geschikt voor veranderende ionen-afbuiging, om de selectiviteit van de massaspectrometer verder te vergroten.

5301492

Claims (14)

1. Massaspectrometer, gekenmerkt door, een omsloten ruimte die geevacueerd kan worden en die een te analyseren of een te detecteren gas kan opnemen, organen binnenin de omsloten ruimte voor het ioniseren van het binnengevoerde gas en voor het afgeven van een 5 bundel gasionen, zo opgewekt, samen met een magneet voor het afbuigen van de ionenbundel naar een collector binnenin de omsloten ruimte, dat de ionen-genererende organen geschikt zijn om een ionenbundel te leveren met een langwerpige nagenoeg rechthoekige doorsnede waarbij de lange bundelas evenwijdig loopt met de zijden van de 10 magneetpoolstukken die de ionenbundelafbuiging leveren.

2. Massaspectrometer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de lange as van de ionenbundel zich uitstrekt nagenoeg langs de gehele axiale lengte van de magneet die de ionenbundelafbuiging levert.

3. Massaspectrometer volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ionen geproduceerd worden door botsingen tussen gas dat in de omsloten ruimte binnengevoerd is en een bundelelectronen die uitgezonden zijn door een langwerpige electrische verwarmde draad welke zich uitstrekt langs de lange as van de ionenbundel.

4. Massaspectrometer volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de draad nagenoeg evenlang is als en aangebracht wordt aangrenzend aan de langwerpige spleet verschaft in een ionisatiekamer welke geplaatst wordt binnenin de omsloten ruimte.

5. Massaspectrometer volgens conclusie 4, met het kenmerk, 25 dat de ionisatiekamer en de draad zich uitstrekken nagenoeg in de gehele axiale lengte van de magneet die de ionenbundelafbuiging levert.

6. Massaspectrometer volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een hulpmagnetisch veld verschaft 30 wordt om het voortgaan van de electronenbundel die de gasionisatie levert te induceren, waardoor de electronenbundeldichtheid groter wordt.

7. Massaspectrometer volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het hulpmagnetisch veld verschaft wordt door een tweede magnetisch $ £ ft 1 k 0 9 V Λ circuit dat de magneet omvat die de ionenbundelafbuiging levert.

8. Massaspectromater volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het tweede magnetisch circuit een juk omvat, vastgemaakt aan de magneet die de ionenbundel- afbuiging levert.

9. Massaspectrometer volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een collector aangebracht wordt bij een begrenzing van de afgebogen ionenbundel, voor het selectief opnemen van ionen die afgebogen zijn door de magneet.

10. Massaspectrometer volgens conclusie 9, met het kenmerk, 10 dat een afbuigplaat aangebracht wordt aangrenzend aan de collector en dat hij werkzaam is om de ionenbundel af te buigen om in te vallen op de collector.

11. Massaspectrometer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het poolstuk en de zijden van de magneet die de ionenbundel- 15 afbuiging levert geschikt zijn om een niet-homogeen magnetisch veld te leveren.

12. Massaspectrometer, althans nagenoeg zoals hiervoor beschreven en zoals aangegeven in de begeleidende tekeningen.

13. Massaspectrometer, althans nagenoeg zoals getoond 20 en geschikt om te werken nagenoeg zoals hiervoor beschreven onder-verwijzing na de begeleidende tekeningen.

14. Lekdetectorinrichting of gasanalyseinrichting, omvattende een massaspectrometer zoals in één van de voorgaande conclusies. -o-o-o-o-o-o-o-o-o- 2601432