SE445403B

SE445403B - DEVICE FOR INPUT OF SAMPLE MEDIUM TO A MASS SPECTROMETER

Info

Publication number: SE445403B
Application number: SE8404840A
Authority: SE
Inventors: Bengt Kasemo; Karl-Erik Keck
Original assignee: Bengt Kasemo; Keck Karl Erik
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1986-06-16
Also published as: WO1987006056A1; SE8404840D0; SE8404840L

Description

15 20 25 20 35 a4o4e4o-4 2 masspektrometern sitter. Vid lösningen C mäts de lokala partialtrycken i den molekylstrâle, som bildas med hjälp av de axiellt placerade öppningarna och den differentiella evakueringen. Lösningen C ger den ojämförligt känsligaste mätningen, och dess överlägsenhet ligger dels i att det lokala trycket i den insläppta gasmängden mäts, innan gas- molekylerna hunnit växelverka med analyskammarens väggar, och dels i att bakgrundstrycken kan mätas och subtraheras genom att en bländare föres in mellan analysatorn och det differentiellt evakuerade system. (Denna procedur utföres genom s k hackning av stràlen kombinerad med s k fastlást detektion.) Det pumpsystem, som erfordras för den differen- tiella evakueringen, innebär emellertid en relativt kraftig fördyring i jämförelse med lösningarna A och B, och därför utnyttjas lösningen C i allmänhet endast då instabila mole- kyler eller molekylfragment (radikaler) skall analyseras., För enklare analytisk masspektrometri användes endera av lösningarna A och B. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en anord- ining för insläppning av provmedium till en masspektrometer, vilken erbjuder de flesta fördelarna med lösningen C ovan men till en kostnad, som inte nämnvärt överstiger kostnaden för endera av lösningarna A och B. 15 20 25 20 35 a4o4e4o-4 2 the mass spectrometer is located. At solution C, the local partial pressures in the molecular beam formed by the axially located openings and the differential evacuation are measured. The solution C gives the incomparably most sensitive measurement, and its superiority lies partly in the fact that the local pressure in the amount of gas let in is measured, before the gas molecules have had time to interact with the walls of the analysis chamber, and partly in that the background pressures can be measured and subtracted the analyzer and the differentially evacuated system. (This procedure is performed by so-called chopping of the beam combined with so-called fixed detection.) However, the pumping system required for the differential evacuation is relatively expensive compared to solutions A and B, and therefore solution C is generally used only. For simpler analytical mass spectrometry, either of solutions A and B are used. The object of the invention is to provide a device for admitting sample medium to a mass spectrometer, which offers most of the advantages of solution C above but at a cost which does not significantly exceed the cost of either of solutions A and B.

Det angivna ändamålet uppnås genom att anordningen er- ' hållit de kännetecken, som framgår av patentkravet l.The stated object is achieved by the device obtaining the features which appear from claim 1.

Därvid kan sammanfattningsvis följande fördelar uppnås: (i) Utan differentiell evakuering erhålles flera av de fördelar som vinnes med molekylstrâle- masspektrometrar (dock ej radikaldetektion), t ex bakgrundssubtraktion och undertryckning. (ii) Försumbar provmediekonsumtion (5 l0'6 bar l/s). (iii) Liten tidskonstant vid förändringar i prov- mediets sammansättning vid t ex kontinuerlig registrering av gasmiljö. (iv) ökad känslighet för högre masstal jämfört med 10 15 20, 25 30 35 8404846-4 konventionella gasinsläppsystem. (v) Anordningen är enkelt monterbar på sä gott som samtliga masspektrometerutrustningar. (vi) Mätsignalens storlek är oberoende av analys- kammarens evakueringshastighet, medan bak- grundssignalen minskar proportionellt mot evakueringshastigheten.In summary, the following advantages can be achieved: (i) Without differential evacuation, several of the advantages obtained with molecular beam mass spectrometers (but not radical detection) are obtained, eg background subtraction and suppression. (ii) Negligible sample media consumption (5 l0'6 bar l / s). (iii) Small time constant in the event of changes in the composition of the test medium during, for example, continuous registration of the gas environment. (iv) increased sensitivity to higher mass numbers compared to conventional gas inlet systems. (v) The device is easily mountable on virtually all mass spectrometer equipment. (vi) The magnitude of the measurement signal is independent of the evacuation rate of the analysis chamber, while the background signal decreases in proportion to the evacuation rate.

För närmare förklaring av uppfinningen skall utföranden därav beskrivas i det följande med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka ' FIG. l är en schematisk vy av anordningen enligt upp- finningen i dess mera avancerade utförande, FIG. 2 visar en anslutning för anordningens högtrycks- ände med filter, FIG. 3 visar ett modifierat utförande av anordningen i FIG. 2, FIG. 4 visar ett utförande av anordningens högtrycks- ände för analysering av provmedier på olika ställen, FIG. 5 är ett diagram, som visar AP?ok/Pçs i relation till masstal för olika gaser, FIG. 6 är ett diagram, som visar relationen mellan AP?0k/Pçs - Sn och roten ur masstalet, FIG. 7 är en schematisk vy av ytterligare ett utförande av anordningen enligt uppfinningen samt FIG. 8 är en schematisk vy av ännu ett utförande av an- ordningen enligt uppfinningen.For a more detailed explanation of the invention, embodiments thereof will be described in the following with reference to the accompanying drawings, in which 'FIG. 1 is a schematic view of the device according to the invention in its more advanced embodiment, FIG. 2 shows a connection for the high-pressure end of the device with filter, FIG. 3 shows a modified embodiment of the device in FIG. 2, FIG. 4 shows an embodiment of the high-pressure end of the device for analyzing sample media at different locations, FIG. 5 is a diagram showing AP? Ok / Pçs in relation to mass numbers for different gases, FIG. 6 is a diagram showing the relationship between AP? 0k / Pçs - Sn and the root from the mass number, FIG. 7 is a schematic view of a further embodiment of the device according to the invention and FIG. 8 is a schematic view of another embodiment of the device according to the invention.

Med hänvisning till FIG. l innefattar det däri visade ut- förandet av anordningen enligt uppfinningen en genomström- ningskanal, som bildas av ett rör 10. I dettas vänstra ände, som är högrycksänden, d v s den ände som skall anslutas till källan för provmediet, är med vakuumtätning ll insatt ett mindre rör l2, som i sin yttre ände har ett mycket litet hål eller en mycket liten kanal l3. Rörets 10 andra ände avslutas av ett rakt munstycke l4, och på röret är med svetsad tät- ning l5 fastsatt en vakuumfläns l6 för montering av röret l0 10 15- 20 25 30 35 3404840-4 2 4 på en masspektrometers analyskammare l7 i en öppning 18 i dennas vägg med munstycket l4 inskjutande i analyskamma- rens inre. Denna ände av röret l0 är anordningens låg- trycksände, och det där förefintliga munstycket 14 skall vara riktat mot centrum av masspektrometerns jonkälla, som är antydd vid l9. Mellan munstyckets mynning och jonkällan är anordnad en roterbar bländare eller hackare 20.Referring to FIG. 1, the embodiment of the device according to the invention shown therein comprises a flow channel, which is formed by a tube 10. In its left end, which is the high-pressure end, i.e. the end to be connected to the source of the sample medium, a vacuum seal 11 is inserted. smaller pipe l2, which at its outer end has a very small hole or a very small channel l3. The other end of the tube 10 is terminated by a straight nozzle 14, and on the tube is attached with a welded seal 15 a vacuum flange 16 for mounting the tube 10 on a mass spectrometer analysis chamber 14 in an opening. 18 in its wall with the nozzle 14 projecting into the interior of the analysis chamber. This end of the tube 10 is the low pressure end of the device, and the nozzle 14 present there should be directed towards the center of the ion source of the mass spectrometer, which is indicated at 19. A rotatable mixer or chopper 20 is arranged between the mouth of the nozzle and the ion source.

Mellan högtrycksänden och lågtrycksänden hos anord- ningen är i röret 10-anordnad en avstängnings- ventil 2l. Dessutom är mellan högtrycksänden och denna av- stängningsventil anordnat ett sidorör 22 från röret 10, vilket via en avstängningsventil 23 är kopplat till en här inte visad vakuumpump. Detta urpumpningssystem är.inte nödvändigt men lämpligt för urpumpning av (sänkning av trycket i) volymen mellan högtrycksänden och avstängnings- ventilen.2l, om den senare varit stängd en tid. I sådana fall pumpas nämnda volym ur via sidoröret 22, varefter' ventilen 23 stängs och ventilen 2l öppnas. g Dimensionerna hos hålet eller kanalen l3 skall vara så valda, att en lämplig gasmängd strömmar genom hålet resp kanalen. Av olika provade lösningar har ett kvartsrör l2 av cirka l - 2 mm innerdiameter, vars ena ände smälts ihop till en liten kanal l3, befunnits vara mycket bra för anord- ningen enligt uppfinningen. En kanallängd av cirka 0,l mm med diametern cirka 7 m ger en läckhastighet av cirka l0'4 mbar l/s. Ett kvartsrör har bl a den fördelen, att det tål höga temperaturer (upp till l500~°C har använts intermittent) och är kemiskt stabilt i de flesta miljöer.Between the high-pressure end and the low-pressure end of the device, a shut-off valve 21 is arranged in the pipe 10. In addition, a side pipe 22 from the pipe 10 is arranged between the high-pressure end and this shut-off valve, which is connected via a shut-off valve 23 to a vacuum pump not shown here. This pump-out system is not necessary but suitable for pumping out (lowering the pressure i) the volume between the high-pressure end and the shut-off valve.2l, if the latter has been closed for some time. In such cases, said volume is pumped out via the side tube 22, after which the valve 23 is closed and the valve 21 is opened. g The dimensions of the hole or duct 13 must be chosen so that a suitable amount of gas flows through the hole or duct. Of various tested solutions, a quartz tube 12 of approximately 1-2 mm inner diameter, one end of which is fused together into a small channel 13, has been found to be very good for the device according to the invention. A duct length of approximately 0.1 mm with a diameter of approximately 7 m gives a leakage velocity of approximately 10.4 mbar l / s. A quartz tube has, among other things, the advantage that it can withstand high temperatures (up to 1500 ° C has been used intermittently) and is chemically stable in most environments.

Alternativa lösningar med metallrör är dels svåra att till- verka och dels kemiskt och termiskt mindre motstàndskraftiga.Alternative solutions with metal pipes are partly difficult to manufacture and partly chemically and thermally less resistant.

Röret l2 kommer därför fortsättningsvis att här benämnas kvartsläcka. Vakuumtätningen ll mellan kvartsläckan och iröret l0 kan utgöras av en Viton 0-ring, en mjuk metallring, ett högvakuumlim eller en glasmetallöverﬂåﬂq- Varje litet hål eller varje liten kanal l3, som ger ß 10 E 20 H» 30 35 5 tillräckligt litet gasflöde, då pumpning sker på låg- tryckssidan, d v s i analyskammarens l7 inre, duger i princip för anordningen enligt uppfinningen. Gasflödet bör typiskt vara i l0_3 mbar l/s, vilket med en pump- hastighet av l00 l/s i analyskammaren ger ett arbetstryck som är § l0'5 torr, d v s är lämpligt för masspektro- metern. Hálets eller kanalens dimensioner beror av för- hállandet mellan haldiameter och kanallängd. En alltför stor kanallängd bör undvikas, då det bl a ökar tids- konstanten.The pipe l2 will therefore continue to be referred to here as quartz leakage. The vacuum seal l1 between the quartz leak and the tube 10 may be a Viton O-ring, a soft metal ring, a high vacuum adhesive or a glass metal over ﬂ å ﬂ q- Each small hole or each small channel l3, which gives ß 10 E 20 H »30 35 5 sufficiently small gas flow, when pumping takes place on the low-pressure side, i.e. in the interior of the analysis chamber 17, is in principle sufficient for the device according to the invention. The gas flow should typically be in l0_3 mbar l / s, which with a pump speed of l00 l / s in the analysis chamber gives a working pressure that is § l0'5 dry, i.e. is suitable for the mass spectrometer. The dimensions of the hole or channel depend on the ratio between the hole diameter and the channel length. Excessive channel length should be avoided, as it increases the time constant, among other things.

Munstycket l4 i anordningens lågtrycksände kan lämp- -ligen ha en innerdiameter, som är cirka 0,5 - 3 mm. Det optimala värdet beror pá utformningen av jonkällan i mass- spektrometern. Munstycket skall sluta så nära jonkällans 19 ytterkant som möjligt, men tillräckligt utrymme, cirka l - 3 mm, måste lämnas för bländaren eller hackaren 20, som skall föras in mellan munstycksänden och jonkällan.The nozzle 14 at the low pressure end of the device may suitably have an inner diameter which is about 0.5 - 3 mm. The optimum value depends on the design of the ion source in the mass spectrometer. The nozzle should end as close to the outer edge of the ion source 19 as possible, but sufficient space, approximately 1-3 mm, must be left for the mixer or chopper 20, which must be inserted between the nozzle end and the ion source.

Då anordningen enligt uppfinningen är i funktion, är trycket i högtrycksänden vanligtvis mycket större än trycket i lågtrycksänden.(det senare ~ l0'3 - lQ'4 mbar).When the device according to the invention is in operation, the pressure at the high-pressure end is usually much greater than the pressure at the low-pressure end (the latter ~ 10'3 - 10'4 mbar).

Gasflödet genom anordningen är då molekylärt utom vid det lilla hålet eller den lilla kanalen l3 i högtrycksänden, där flödet är visköst. Anordningen är helt gastät, så att all gas, som kommer in genom hålet eller kanalen 13 i hög- trycksänden, passerar ut genom munstycket l4 i lågtrycks- änden (då avstängningsventilen 2l är öppen och avstäng- ningsventilen 23 är stängd). Eftersom gasflödet genom hålet eller kanalen l3 i högtrycksänden är visköst, undvikes genom detta arrangemang all s k masseparation.The gas flow through the device is then molecular except at the small hole or the small channel 13 at the high pressure end, where the flow is viscous. The device is completely gas-tight, so that all gas entering through the hole or duct 13 at the high-pressure end passes out through the nozzle 14 at the low-pressure end (when the shut-off valve 21 is open and the shut-off valve 23 is closed). Since the gas flow through the hole or channel 13 at the high-pressure end is viscous, all so-called mass separation is avoided by this arrangement.

Den beskrivna anordningen fungerar enligt följande: Vid en gasanalys placeras högtrycksänden av röret l0, d v s kvartsläckan l2, i provmediet. Eventuellt kopplas ett rörsystem till högtrycksänden så att gasen flödar förbi den.The described device works as follows: In a gas analysis, the high-pressure end of the pipe 10, i.e. the quartz leak 12, is placed in the sample medium. Possibly a pipe system is connected to the high-pressure end so that the gas flows past it.

Genom den kraftiga tryckgradient, som existerar över det lilla hålet eller den lilla kanalen l3 på grund av eva- .8404840-4 10 15 20 25 30 .S5 '84Û484D-4 6 , __ .__ __,_ _ kueringen av analyskammaren, sugs en liten del av provmediet (typiskt 10-3 - 10-5 mbar - liter per sekund)-in i röret och transporteras (utan massförlust) genom detta för att under molekylärt flöde "spruta" ut genom lägtrycksändens munstycke l4. Genom att kvoten mellan innerdiameter och längd hos_ munstycket väljes (typiskt 5 1:5), blir divergensen (rela- tivt röraxeln) hos den utgående gasen så liten som möjligt.Due to the strong pressure gradient which exists over the small hole or the small channel l3 due to eva- .8404840-4 10 15 20 25 30 .S5 '84 Û484D-4 6, __ .__ __, _ _ the curvature of the analysis chamber, a small portion of the sample medium (typically 10-3 - 10-5 mbar - liters per second) -in the tube and transported (without mass loss) through it to "spray" out through the low pressure end nozzle l4 during molecular flow. By selecting the ratio between the inner diameter and the length of the nozzle (typically 5 1: 5), the divergence (relative to the pipe shaft) of the outgoing gas becomes as small as possible.

Genom att välja innerdiametern hos munstycket betydligt mindre än den linjära dimensionen (vinkelrätt mot röraxeln) hos jon- källans l9 effektiva jonisationsvolym och genom att munstycket slutar så nära jonkällan som möjligt, uppnås ett lokalt tryck (lokal molekyltäthetsökning) i jonkällan, som är betydligt större än det isotropa tryck i analyskammaren, som den in- strömmande gasen åstadkommer.By choosing the inner diameter of the nozzle significantly smaller than the linear dimension (perpendicular to the tube axis) of the effective ionization volume of the ion source 19 and by closing the nozzle as close to the ion source as possible, a local pressure (local molecular density increase) is achieved in the ion source. than the isotropic pressure in the analysis chamber produced by the inflowing gas.

Det totala partialtrycket Pçoï av en viss gas n i jon- källan kommer därför att bestå av två bidrag. Det ena bi- draget är det isotropa trycket i kammaren och ges av den inströmmande gasmängden Q" dividerad med analyskammarens evakueringshastighet S för gasen n, d v s Pçš = gg. Det andra bidraget består av den ovan nämnda lokala tryckökningen, Akçok, så att det totala trycket blir n _ n n g Pioi ' Pie * ^P1ak~ Genom att anordningen utrustas med en bländare eller hackare 20, som kan föras in mellan lâgtrycksänden och jonkällan och som växelvis avbryter strâlen från munstycket l4, när den roterar, kan tvâ olika mätningar utföras.The total partial pressure Pçoï of a certain gas n in the ion source will therefore consist of two contributions. One contribution is the isotropic pressure in the chamber and is given by the inflowing gas quantity Q "divided by the analysis chamber evacuation rate S for the gas n, i.e. Pçš = gg. The other contribution consists of the above-mentioned local pressure increase, Akçok, so that the total The device becomes n _ nng Pioi 'Pie * ^ P1ak ~ By equipping the device with a mixer or chopper 20, which can be inserted between the low pressure end and the ion source and which alternately interrupts the jet from the nozzle 14 as it rotates, two different measurements can be made.

Då bländaren är införd mellan munstycksmynningen och jonkällan. mätes med masspektrometern en signal Igs, som är proportionell mot P?S, d v s In = En n is is Pis där Cgs är en bestämningsbar känslighetskonstant för gasen n. _ Dä bländaren är förd undan, mäts en signal, som är pro- 10 20 25 30 55 8404840-4 ~4 portionell mot summan av de två ovannämnda bidragen till trycket i jonkällan, d v s IH n TOT AP n ' P15 l C" 10k _ n " Cis 10k där Cçok är en bestämningsbar konstant pá samma sätt som CSS men med ett annat värde.When the aperture is inserted between the nozzle orifice and the ion source. a signal Igs is measured with the mass spectrometer, which is proportional to P? S, i.e. In = An n is is Pis where Cgs is a determinable sensitivity constant for the gas n. When the mixer is moved away, a signal is measured which is pro- 25 30 55 8404840-4 ~ 4 proportional to the sum of the two above-mentioned contributions to the pressure in the ion source, i.e. IH n TO AP n 'P15 l C "10k _ n" Cis 10k where Cçok is a determinable constant in the same way as CSS but with a different value.

Genom att ta differensen mellan de två mätningarna I _ n erhålles en signal nlïok - AP" _ n " C lok' n M mk lok Man kan alltsa med den här beskrivna anordningen mäta den lokala koncentrationen i jonkällan av den inströmmande gasen. Detta har flera viktiga konsekvenser för känslighet m m i mätningen. a, Samma principiella fördel som i_en molekylstràlemasspektrometer erhålles i det avseendet att det inströmmande mediets innehåll mätes, innan det hunnit växel- verka med analyskammaren eller jonkäïlans väggar.By taking the difference between the two measurements I _ n a signal nlïok - AP "_ n" C lok 'n M mk lok is obtained. Thus, with the device described here, the local concentration in the ion source of the inflowing gas can be measured. This has several important consequences for sensitivity, etc. in the measurement. a, The same fundamental advantage as in a molecular beam mass spectrometer is obtained in that the content of the inflowing medium is measured before it has had time to interact with the analysis chamber or the walls of the ion.

Detta minskar kraftigt felen pà grund av bak- grundseffekter vid låga partialtryck. b. Bakgrundseffekterna på grund av restgaser i ana- lyskammaren och på grund av väggväxelverkan minskar proportionellt mot ökad pumphastighet i analyskammaren, vilket inte är fallet, då prov- gasen släpps in oriktad och/eller enbart det isotropa trycket mäts. c. Massberoendet hos den mätta signalen är sådant, att känsligheten för en viss gasmolekyl ökar med roten ur massan, jämfört med en mätning av det isotropa trycket. Detta beror på att tätheten för en viss gas i jonkällan på grund av den riktade strâlen är proportionell mot gasmängden per tids- enhet dividerad med gasmolekylernas medelhastighet 10 15 20 25 30 35 I 8404840-4 ,s - _ ._ _. _ _- -ï- längs strålaxeln, som i FIG. l markerats med en prickstreckad linje 24. Eftersom alla gasmolekyler har termisk hastighet, blir medelhastigheten pro- portionell mot roten ur massan. Detta förhållande har testats experimentellt och gäller mycket väl' för den här beskrivna anordningen (FIG. 6). d. 'Genom att bländaren 20 utformas som en hackare, som periodiskt hackar den riktade strâlen, kan man a detektera AP?°k genom elektronisk eliminering av den icke-varierande bakgrunden P?S, t ex genom fastlåst detektion eller med hackaren synkroniserad digital_detektionl(pulsräkning).This greatly reduces errors due to background effects at low partial pressures. b. The background effects due to residual gases in the analysis chamber and due to wall interaction decrease in proportion to increased pump speed in the analysis chamber, which is not the case when the test gas is let in unidirectional and / or only the isotropic pressure is measured. c. The mass dependence of the measured signal is such that the sensitivity of a certain gas molecule increases with the root out of the mass, compared with a measurement of the isotropic pressure. This is because the density of a certain gas in the ion source due to the directed jet is proportional to the amount of gas per unit of time divided by the average velocity of the gas molecules in 15404840-4, s - _ ._ _. _ _- -ï- along the beam axis, as in FIG. l is marked with a dotted line 24. Since all gas molecules have a thermal velocity, the average velocity becomes proportional to the root of the pulp. This relationship has been tested experimentally and applies very well to the device described here (FIG. 6). By designing the aperture 20 as a hacker, which periodically chops the directed beam, one can detect AP? ° k by electronically eliminating the non-varying background P? S, for example by locked detection or digital_detection synchronized with the hacker. (pulse count).

I en praktisk mätsituation är det naturligtvis önskvärt att den lokala tryckökningen AP?0k till storleken är minst jämförbar med Pçs, för att denna lösning skall erbjuda en nämnvärd fördel framför mätning av enbart P?S. Detta har veri- fierats för ett flertal gaser som visas i FIG. 5. Figuren visar Ak?0k/Pïs som funktion av masstal för olika gaser. Mätningarna utfördes i ett turboevakuerat system (bastryck < l - l0'9 _mbar) med en Balzers QMA 3ll masspektrometer. Evakuerings- hastigheten för luft var cirka 200 l/s. Liknande resultat har erhållits med en Balzers QMA ll2 med en helt annan typ av jon- källa.In a practical measuring situation, it is of course desirable that the local pressure increase AP? 0k in size is at least comparable to Pçs, in order for this solution to offer a significant advantage over measuring only P? S. This has been verified for a number of gases shown in FIG. 5. The figure shows Ak? 0k / Pïs as a function of mass numbers for different gases. The measurements were performed in a turbo-evacuated system (base pressure <l - 10'9 _mbar) with a Balzers QMA 311 mass spectrometer. The evacuation rate for air was about 200 l / s. Similar results have been obtained with a Balzers QMA ll2 with a completely different type of ion source.

Man ser i FIG. 5, att AP?ok för alla gaser är större än Pçs och att skillnaden ökar med ökande masstal. En enkel analys visar, att ett diagram, där AP?0k/Pçs ~ S" plottas mot roten ur respektive masstal, skall ge en rät linje. Sn är evakueringshastigheten för gasen n. FIG. 6 visar, att denna relation håller mycket väl. I det provsystem, som använts, har flera parametrar ej optimerats, t ex diametern på mun-_ stycket l4 i lågtrycksänden och munstycksmynningens avstånd till jonkällan l9. Vidare används en standard s k "cross- beam“ jonkälla. En enkel analys visar, att elektronsträlens utformning kan optimeras för den riktade gasstrâlen. Samman- fattningsvis bör nämnda-optímeringar kunna leda till en kvot 10 15 20 25 30 35 9 8404840-4 APZ /P? 3 s - io för vätgas, vilket skuiia ga en 10* 15. ioo ioo N kvot av minst AP]ok /Pig ~ 35 - 70 for en gas med masstal l00 (på grund av massberoendet).It is seen in FIG. 5, that AP? Ok for all gases is greater than Pçs and that the difference increases with increasing mass numbers. A simple analysis shows that a diagram, where AP? 0k / Pçs ~ S "is plotted against the root from the respective mass number, should give a straight line. Sn is the evacuation rate of the gas n. Fig. 6 shows that this relationship holds very well. In the test system used, several parameters have not been optimized, such as the diameter of the nozzle 14 at the low-pressure end and the distance of the nozzle orifice to the ion source 19. Furthermore, a standard so-called "cross-beam" ion source is used. A simple analysis shows that the design of the electron beam can be optimized for the directed gas beam. In summary, the said optimizations should be able to lead to a ratio of 10 15 20 25 30 35 9 8404840-4 APZ / P? 3 s - io for hydrogen, which would give a 10 * 15. ioo ioo N ratio of at least AP] ok / Pig ~ 35 - 70 for a gas with mass number l00 (due to mass dependence).

Kalibrering sker i stort sett på samma sätt som vid konventionell masspektrometrisk gasanalys. Relativa känslig- hetsfaktorer mäts upp med kalibreringsgaser dels för strálen riktad in i jonkällan och dels för den oriktade strálen (eller för enbart differensen). Från AP?ok och Pçs kan de relativa känslighetsfaktorerna beräknas för de tva olika mätsituatio- nerna. Om generella känslighetsfaktorer skall bestämmas, mäste evakueringshastigheten för respektive gas vara känd.Calibration takes place in much the same way as in conventional mass spectrometric gas analysis. Relative sensitivity factors are measured with calibration gases partly for the beam directed into the ion source and partly for the directional beam (or for the difference only). From AP? Ok and Pçs, the relative sensitivity factors can be calculated for the two different measurement situations. If general sensitivity factors are to be determined, the evacuation rate for each gas must be known.

Minst lika praktiskt är dock att inkludera denna hastighet i känslighetsfaktorerna, så att känslighetsfaktorerna blir systemkonstanter.At least as practical, however, is to include this velocity in the sensitivity factors, so that the sensitivity factors become system constants.

Vid hackning och fastlåst detektion sker kalibrering direkt på de mätta signalerna med kända provgaser.During chopping and locked detection, calibration takes place directly on the measured signals with known test gases.

Om risk för igenpluggning av kvartsläckan 12 föreligger, kan ett filter 25 av en porös, sintrad metall- eller glas- platta anslutas i ett rör 26A eller 268 framför kvartsläckan, såsom FIG. 2 resp 3 visar. Om en liten responstid är viktig, kan provmedieflödet genom filtret skyndas på med enklast möjliga pump, som anslutes till ena änden av röret 26A resp till ett grenrör på röret 26B.If there is a risk of plugging the quartz leak 12, a filter 25 of a porous, sintered metal or glass plate may be connected in a tube 26A or 268 in front of the quartz leak, as shown in FIG. 2 and 3, respectively. If a small response time is important, the sample medium flow through the filter can be accelerated with the simplest possible pump, which is connected to one end of the tube 26A and to a manifold on the tube 26B, respectively.

Den mycket lilla läckan och det faktum, att ingen differentiell pumpning utnyttjas, gör att den för analys er- forderliga mängden provmedium är utomordentligt lag (t ex mycket mindre än i lösningarna B och C, som nämndes»ovan).The very small leakage and the fact that no differential pumping is used means that the amount of sample medium required for analysis is extremely low (eg much smaller than in solutions B and C, which were mentioned »above).

Detta är en stor fördel, då man har begränsad tillgång till provmedium eller vill undvika att störa tryckförhâllandena vid provstället.This is a great advantage, as you have limited access to test medium or want to avoid disturbing the pressure conditions at the test site.

I vissa fall kan det vara önskvärt att analysera gas på olika ställen, t ex i ett rum eller i en gasbehällare.In some cases, it may be desirable to analyze gas in different places, for example in a room or in a gas container.

Ett praktiskt sätt att åstadkomma detta med den här beskrivna anordningen är att ansluta högtrycksänden av röret 10 till en flexibel vakuumtät bälgslang 28 enligt FIG. 4, i vars fria _ "vul- 10 15 20, 25 30 35 840484-0-:4 m, .' a. _. , ände kvartsläckan l2 är anordnad. Genom denna lösning kan mätpunkten flyttas geometriskt som bilden visar. I det enklaste fallet sker förflyttning manuellt genom att slang- änden med kvartsläckan förflyttas med handen. Om mera preci- serat rörelseschema önskas, kan förflyttningen ske med ett elektromekaniskt servosystem, t ex en robot.A practical way to accomplish this with the device described herein is to connect the high pressure end of the tube 10 to a flexible vacuum tight bellows hose 28 according to FIG. 4, i vars fria _ "vul- 10 15 20, 25 30 35 840484-0-: 4 m,. ' a. _., the end of the quartz leak l2 is arranged. Through this solution, the measuring point can be moved geometrically as the picture shows. In the simplest case, movement takes place manually by moving the hose end with the quartz leak by hand. If a more precise movement diagram is desired, the movement can be be done with an electromechanical servo system, such as a robot.

J Den del av uppfinningen, som består av förmedling av _gas från högtryckssidan till lâgtryckssidan, kan för enklare gasanalys, där optimal känslighet ej krävs, kopplas till masspektrometerns analyskammare utan att strålen från läg- trycksänden riktas in i jonkällan. Därvid kan endast de isotropa partialtrycken P?s mätas. Även för denna typ av grövre mätning erbjuder anordningen enligt uppfinningen för- delar gentemot andra existerande lösningar: (i) Hela anordningen kan monteras på en fläns och är ytterst behändig (överlägsen lösning B g och C). (ii) Anordningen kan monteras på så gott som varje existerande masspektrometerutrustning med ett minimum av modifikationer och kräver ingen differentiell pumpning (överlägsen B och C). (iii) Responstiden vid förändringar i provmediets sammansättning kan hållas mycket-låg (~ 0,05 s har uppmätts och beräknats). Detta tillsammans med de små dimensionerna är en sun» fördel jämför: med iöshfng A.The part of the invention, which consists of conveying gas from the high-pressure side to the low-pressure side, can for simple gas analysis, where optimal sensitivity is not required, be connected to the analysis chamber of the mass spectrometer without directing the jet from the low-pressure end into the ion source. In this case, only the isotropic partial pressures P? S can be measured. Even for this type of coarser measurement, the device according to the invention offers advantages over other existing solutions: (i) The entire device can be mounted on a flange and is extremely handy (superior solution B g and C). (ii) The device can be mounted on virtually any existing mass spectrometer equipment with a minimum of modifications and requires no differential pumping (superior B and C). (iii) The response time to changes in the composition of the sample medium can be kept very low (~ 0.05 s has been measured and calculated). This together with the small dimensions is a sun »advantage compare: with iöshfng A.

Genom att volymen i röret l0 mellan högtrycksänden med kvartsläckan l2 och avstängningsventilen Zl (se FIG. l) minimeras, blir den gasmängd, som behöver evakueras, när av- stängningsventilen 2l varit stängd en längre tid, så liten, -att den kan få läcka in i analyskammaren genom försiktig öpp- ning av avstängningsventilen Zl. Gasen pumpas då undan av analyskammarens pump. Detta förfarande har utnyttjats i en prototyp, som testats, och tryckökningen kan hållas < l0'4 torr i analyskammaren. Tiden för denna operation är i 30 s. 10 15 20 25 30 35 8404840-4 ll Vinsten med denna utformning är, att varken grovpump, ansluten till röret 22, för urpumpning eller ventilen 23 behövs.By minimizing the volume of the pipe 10 between the high pressure end with the quartz leak 12 and the shut-off valve Z1 (see FIG. 1), the amount of gas that needs to be evacuated when the shut-off valve 21 has been closed for a long time becomes so small that it can leak. into the analysis chamber by carefully opening the shut-off valve Zl. The gas is then pumped away by the analysis chamber pump. This method has been used in a prototype, which has been tested, and the pressure increase can be kept <10'4 dry in the analysis chamber. The time for this operation is in 30 s. 10 15 20 25 30 35 8404840-4 ll The advantage of this design is that neither a coarse pump, connected to the pipe 22, for pumping out or the valve 23 is needed.

Då en kvartsläcka l2 användes, kan anordningen ges en speciellt enkel utformning, som visas i FIG. 7. Här bildas genomströmningskanalen för provmediet inte av röret l0 utan av kvartsläckan l2, vars ena ände är högtrycksänden och vars andra ände är lâgtrycksänden, där en styrning 29 är anordnad.When a quartz leak 12 is used, the device can be given a particularly simple design, as shown in FIG. Here, the flow channel for the sample medium is not formed by the tube 10 but by the quartz leak 12, one end of which is the high-pressure end and the other end of which is the low-pressure end, where a guide 29 is arranged.

Avstängning av kvartsläckan sker genom att ett membran 30 av t ex Viton-gummi eller Teflon pressas mot kvartsläckan l2 vid öppningen eller kanalen 13, såsom är visat i figurene Membranet är anbragt pà ett skaft 3l, vilket är axiellt för- skjutbart styrt i en stuts 32 på röret 26A, varvid tätning är anordnad medelst 0-ringar 33. Utförandet är speciellt lämpligt, då upphettning av anordningen önskas på grund av gasadsorption pa genomströmningskanalens väggar. Upphett- ningen sker på enkelt sätt med en värmespiral 34 utanpå röret 10, varvid värmespiralen delvis täcks av en ytter- mantel 35, vilken är förbunden med röret l0 i lagtrycksänden vid 36 och är förbunden med vakuumflänsen 16 vid en svetsad tätning 37. Utförandet enligt FIG. 8 medför dessutom den för- delen, att den totala väggarealen i genomströmningskanalen minimeras. Utförandet har emellertid en nackdel i jämförelse med övriga utföranden, nämligen att vakuumet i analyskammaren mäste brytas, om kvartsläckan behöver bytas.Shut-off of the quartz leak takes place by pressing a membrane 30 of eg Viton rubber or Teflon against the quartz leak 12 at the opening or the channel 13, as shown in the figures. The membrane is mounted on a shaft 31, which is axially displaceably guided in a socket 32 on the pipe 26A, sealing being arranged by means of O-rings 33. The design is particularly suitable when heating of the device is desired due to gas adsorption on the walls of the flow channel. The heating takes place in a simple manner with a heating coil 34 on the outside of the pipe 10, the heating coil being partly covered by an outer jacket 35, which is connected to the pipe 10 at the low-pressure end at 36 and is connected to the vacuum flange 16 at a welded seal 37. FIG. 8 also has the advantage that the total wall area in the flow channel is minimized. However, the design has a disadvantage in comparison with other designs, namely that the vacuum in the analysis chamber must be broken if the quartz leak needs to be replaced.

I vissa fall, t ex då provgasens tryck varierar över ett stort intervall vid olika tidpunkter i analysen, är en konstant läcka i form av ett hal eller kanal 13 ej lämplig, eftersom den totalt inläckande gasmängden blir för liten vid de lägre trycken. I sådana fall måste förträngningen i hög- trycksänden ersättas av en variabel läcka. I enklaste fall är den variabla läckan en läckventil. Även i detta fall er- bjuder lösningen med en i jonkällan riktad stråle och möj- ligheten till avbländning av strálen med en rörlig bländare samma fördelar som beskrivits ovan. l 10 15 20 25 30 8404840-4 i? Bländaren 20 kan ersättas med en rörlig lägtrycksände genom att lågtrycksänden av röret 10 förbindes med en böj- lig bälg pâ analogt sätt som visas i FIG. 4 med avseende på högtrycksänden. Lågtrycksänden kan då förflyttas mellan tvâ lägen med hjälp av en vakuumtät genomföring, som ger en- linjär rörelse. I det ena läget riktas gasstrálen in i jon- källan l8 och i det andra bort från jonkällan. Funktionen är i övrigt identisk med den, där en roterbar bländare an- vänds, och kan även användas för hackning. H En billig och elegant lösning av problemet att mäta masspektrometersignalen dels med strålen riktad in i jon- källan och dels utan direktstrále men med samma gasinflöde, erhålles med hjälp av en magnetisk kula. Principen för denna lösning visas i FIG. 8. Även denna lösning kan i princip utnyttjas för hackning genom elektromagnetisk styr- ning av kulans rörelse.In some cases, for example when the pressure of the test gas varies over a large interval at different times in the analysis, a constant leak in the form of a slippery or channel 13 is not suitable, because the total amount of leaking gas becomes too small at the lower pressures. In such cases, the constriction at the high-pressure end must be replaced by a variable leak. In the simplest case, the variable leak is a leak valve. Even in this case, the solution with a beam directed at the ion source and the possibility of dimming the beam with a movable mixer offer the same advantages as described above. l 10 15 20 25 30 8404840-4 i? The mixer 20 can be replaced with a movable low pressure end by connecting the low pressure end of the tube 10 to a flexible bellows in an analogous manner as shown in FIG. 4 with respect to the high pressure end. The low-pressure end can then be moved between two positions by means of a vacuum-tight bushing, which provides one-linear movement. In one position the gas jet is directed into the ion source 18 and in the other away from the ion source. The function is otherwise identical to that in which a rotatable aperture is used, and can also be used for chopping. H A cheap and elegant solution to the problem of measuring the mass spectrometer signal partly with the beam directed into the ion source and partly without direct beam but with the same gas inflow, is obtained by means of a magnetic ball. The principle of this solution is shown in FIG. 8. This solution can also in principle be used for chopping by electromagnetic control of the movement of the ball.

Genomströmningskanalen.i röret l0 är efter avstäng- ningsventilen.2l uppdelad i tvâ grenkanaler 38A och 388, som är växelvis avstängbara medelst en magnetisk kula 39.The flow channel in the tube 10 is after the shut-off valve 21 divided into two branch channels 38A and 388, which are alternately shut-off by means of a magnetic ball 39.

Kulan kan medelst yttre anordning pâverkas till ett läge, i vilket den stänger kanalen 38A, och ett annat läge, i vilket den stänger kanalen 38B. Kulan är i FIG. 8 visad i det senare läget. Därvid riktas gasflödet genom kanalen 38A och munstycket 14 in i jonkällan 18, varvid Pçoï mätes.The ball can be actuated by an external device to a position in which it closes the channel 38A, and another position in which it closes the channel 38B. The ball is in FIG. 8 shown in the latter mode. Thereby, the gas flow through the channel 38A and the nozzle 14 is directed into the ion source 18, whereby Pcoi is measured.

Om kulan_omställes till det läge, i vilket kanalen 38A är stängd och kanalen 38B är öppen, riktas gasflödet visser- ligen in i analyskammaren men inte direkt in i jonkällan, varvid Pçs mätes.If the ball is switched to the position in which the channel 38A is closed and the channel 38B is open, the gas flow is admittedly directed into the analysis chamber but not directly into the ion source, whereby Pçs is measured.

Claims

1. 0 15 20 25 30 35 spectrometer, H s4o4a4o-4 PATENT CLAIMS l.

Device for admitting sample medium to a mass characteristic characterized in that the device comprises a flow channel (10; 12) connected at its one end to the analysis chamber (17) of the mass spectrometer for the sample medium with a restricted inflow opening (13) in the other end connectable to the sample media source, preferably dimensioned for a media flow which is 1 10-3 mbar 1 / s. '2; Device according to claim 1, characterized in that the restricted opening (13) is arranged in an inlet pipe (12), preferably a quartz pipe, which is vacuum-tightly attached to said second end of the flow channel (10). '

Device according to Claim 1 or 2, characterized in that one end of the flow channel (10) connected to the analysis chamber (17) is formed with a nozzle tube (14) directed towards the ion source (19) of the mass spectrometer. 'I

Device according to claims 2 and 3, in which the inlet pipe (12) consists of a quartz pipe, characterized in that the quartz pipe forms the flow channel and the nozzle pipe. 7

Device according to claim 4, characterized in that the quartz tube (12) is surrounded by a heating device (34).

Device according to claim 1, in that said one end of the flow channel (10) is connected to a conduit (26A; 268) for forced flow of the sample medium and provided with filters (25) for inflowing sample medium.

Device according to Claim 1, characterized in that the flow channel (10) is provided with a shut-off device (21) for the test medium flowing therethrough.

Device according to Claim 7, characterized in that the flow channel (10) is connected via a shut-off device (23) to a vacuum pump on the upstream side of the shut-off device present in the flow channel.

Device according to claim 3, in that means (20; 39) are arranged for interruptingly interrupting the flow of the sample medium to the ionic acid (19). A device according to claim 9, characterized in that said means is constituted by a chopper (20) for interrupting the feed with the predetermined frequency. . 11.

Device according to claim 1, characterized in that said second end of the flow channel (10) is arranged installable in different positions. '