CH616275A5

CH616275A5 -

Info

Publication number: CH616275A5
Application number: CH883478A
Authority: CH
Inventors: Charles William Hull; Thomas Wilson Whitehead; Bruce Noble Colby
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1975-02-13
Filing date: 1978-08-21
Publication date: 1980-03-14
Also published as: FR2301090B1; US4016421A; IT1055252B; GB1509697A; JPS51119288A; DE2604249A1; FR2301090A1; CA1052913A; CH615532A5; SE7601586L

Description

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Analysegerät der eingangs genannten Art so auszubilden, dass der Massenspektralbereich durch Veränderung der Energie der Ionenquelle durchlaufen werden kann, ohne dass die oben erwähnten Nachteile der Defokussierung und der unbeabsichtigten Entladung auftreten.

Die Analysevorrichtung mit einem Gaschromatographen und einem Massenspektrometer ist im Patentanspruch 1 definiert.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Analysegerätes, das einen Gaschromatographen, ein Massenspektrometer sowie eine den Gaschromatographen mit dem Massenspektrometer verbindende Verbindungseinrichtung enthält.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Trenn- und Eicheinheit, die in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Analysegerät verwendet werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt eines Teiles der Verbindungseinrichtung, die den Gaschromatographen mit dem Massenspektrometer verbindet, einschliesslich einer Längsschnittdarstellung des Massenspektrometers selbst.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung und der Ionenstrahlquelle zur Schaffung eines Weges für das Probengas in den Ionenbildungsbereich der Ionenstrahlquelle.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Ausführungsform der Ionenstrahlquelle nach der Erfindung, von oben gesehen,

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt der Ionenstrahlquelle nach Fig. 5, von der Seite gesehen,

Fig. 7 zeigt eine detailliertere Längsschnittsdarstellung eines Teiles der Ionenstrahlquelle nach Fig. 5, von oben gesehen,

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung, die zur Programmierung der Massenuntersuchungen des in Fig. 3 dargestellten Gerätes verwendet werden kann.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Systems, mit dem der Betrieb des in Fig. 3 dargestellten Gerätes in geregelter Form verändert werden kann,

Fig. 10 zeigt eine Kurve des Ausgangssignals des Analysegerätes nach Fig. 3, wobei sowohl das Massenspektrum eines fiktiven Gases als auch eine Massenanzeigekurve dargestellt sind, und

Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht einer Steuer- und Überwachungstafel, die in Verbindung mit dem in Fig. 3 dargestellten Analysator verwendet werden kann.

Gemäss Fig. 1 ist ein Gaschromatograph 11 vorgesehen, der eine chromatographische Säule 12, einen Gaseinlass 13 und einen Gasauslass 14 aufweist. Die Säule, der Einlass und der Auslass sind von bekannter Konstruktion und Fachleuten geläufig. Im einzelnen kann die Säule eine Glassäule sein, die mit einem konventionellen chromatographischen Packungsmaterial gefüllt ist, und als Einlass kann ein konventionelles Injektionssystem dienen. Normalerweise sind die Säule, der Einlass

616275

und der Auslass in einem generell mit 15 bezeichneten Ofen untergebracht, der ebenfalls von bekannter Konstruktion ist, und die Temperatur des Gaschromatographen kann geregelt und gewünschtenfalls verändert werden.

Der Gaschromatograph 11 ist über eine Verbindungseinrichtung 17 mit einem Massenspektrometer 16 verbunden. Das Massenspektrometer 16 enthält eine Ionenstrahlquelle 18, deren Leistung einstellbar ist und einen Detektor 20. Die Verbindungseinrichtung 17 enthält eine elektrisch nicht leitende Verbindungsleitung 21 mit einer Drosselstelle 22 und einen Probengasanreicherer 23. Die Verbindungsleitung 21 ist normalerweise ein Glasrohr, das an einem Ende mit dem Gasauslass 14 des Chromatographen 11 und am anderen Ende mit der Ionenstrahlquelle 18 des Massenspektrometers 16 verbunden ist. Die Drossel 22 ist im allgemeinen eine Spule aus Kapillarrohr, die so ausgebildet ist, dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Gaschromatographen und dem Massenspektrometer ein Druckabfall erzeugt wird.

Gaschromatographen arbeiten generell bei ungefähr einer Atmosphäre, wogegen der Druck in der Ionenquelle des Massenspektrometers charakteristischerweise etwa 0,001 Torr beträgt Die Abmessungen der Drossel sind so gewählt dass in Verbindung mit den Abmessungen des Probengasanreicherers 23 in der Ionenstrahlquelle der gewünschte Druck entsteht Eine derartige Auslegung ist für Fachleute der Gastechnik ohne weiteres möglich.

Bei der gaschromatographischen Trennung wird ein Trägergas eingesetzt, welches ein Probengas durch eine ein Trennmedium enthaltende Säule treibt Bei dem Trägergas handelt es sich im allgemeinen um ein Inertgas, wie Helium. Hat das Trägergas die Probe durch die chromatographische Säule «getragen», so ist seine Funktion erfüllt und seine weitere Anwesenheit in hohen Konzentrationen beeinträchtigt die Identifizierung der verschiedenen Probenbestandteile durch das Massenspektrometer. Die Funktion des Probengasanreicherers 23 besteht darin, die Konzentration der Probe in dem in die Ionenstrahlquelle eintretenden Gas gegenüber dem Träger anzureichern. Derartige Gasanreicherer sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt Im folgenden wird eine bestimmte Einrichtung, die als «jet Separator» bekannt ist, beschrieben. Derartige Geräte sind generell so konstruiert, dass von dem Probengas soviel wie möglich durch den verbleibenden Teil der Verbindungsleitungen zur Ionenstrahlquelle gelangt während der grösste Teil des Trägergases mit einer Vakuumpumpe 24 abgepumpt wird.

Massenspektrometer sind empfindlich gegen Luftverschmutzung. Daher muss ein zusätzliches System vorgesehen sein, das es ermöglicht, die chromatographische Säule zu entfernen, ohne dass das Massenspektrometer verschmutzt wird. Ferner sollte das Massenspektrometer von Zeit zu Zeit geeicht werden. Diese beiden Funktionen werden von einer Trenn- und Eicheinheit 25 wahrgenommen, die über ein T-Stück 26 an die Zwischenleitung 21 angeschlossen und in detaillierterer Form in Fig. 2 abgebildet ist.

Die Trenn- und Eicheinheit 25 enthält eine unter Druck stehende Inertgasquelle 27, die beispielsweise Helium enthält und durch eine Inertgasleitung 28 und das T-Stück 26 mit der Zwischenleitung 21 verbunden ist. Ferner sind ein Absperrventil 29 und ein geregelter Druckminderer 30 vorgesehen. Vor dem Abtrennen der chromatographischen Säule am Gasauslass 14 wird das Ventil 29 geöffnet, so dass das Inertgas von der Quelle 27 in die Verbindungsleitung 21 einströmt und verhindert, dass das Massenspektrometer durch Luft verschmutzt wird. Zusätzlich enthält das Trenn- und Eichsystem 25 ein mit der Inertgasleitung 28 verbundenes parallel zum Ventil 29 geschaltetes und von diesem durch zwei Ventile 32 und 33 getrenntes Halterohr. Die Parallelleitung kann ferner eine Druckregelungsdrossel 34 enthalten, die den Gasstrom durch diese Leitung regelt An das

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

616275

Halterohr 31 ist über ein Ventil 36 eine Eichgasquelle angeschlossen. Ferner ist eine Ablassleitung 37 mit zugehörigem Ventil 38 vorgesehen. Die Ventile sind normalerweise durch Fernbetätigung zu schalten, die Leitungen bestehen generell aus Glas oder aus Edelstahl und die Drosseln sind generell Kapillarspulen.

Zur Eichung des Massenspektrometers kann jedes beliebige Gas mit bekanntem Massenspektrum verwendet werden. Ein derartiges Gas ist beispielsweise das als FC-43 bekannte Fluorocarbon. Bei geschlossenen Ventilen 32 und 33 wird das Halterohr mit dem Eichgas gefüllt, indem das Ventil 36 geöffnet und das Ventil 38 geschlossen wird. Danach wird Ventil 36 geschlossen, um das Eichgas in dem Halterohr 31 zu isolieren, Ventil 29 wird geschlossen und die Ventile 32 und 33 werden geöffnet. Das von der Quelle 27 kommende Inertgas wirkt als Träger und treibt das Eichgas in genau derselben Weise in das Massenspektrometer wie das chromatografische Trägergas das Probengas hineintreibt. Die Abmessungen des Halterohres und der Verbindungsleitungen sind so gewählt, dass das Eichgas das Massenspektrometer in der richtigen Konzentration erreicht. Eine entsprechende Bemessung ist für Fachleute durchführbar.

Der verbleibende Bereich der Verbindungsleitung 21 ist in den Fig. 3 und 4 abgebildet. In Fig. 3 führt die Verbindungsleitung 21 zu dem Gasanreicherer 23, der in der dargestellten Ausführungsform als Jet-Separator ausgebildet ist. Der Jet-Separator enthält eine Hauptdüse 39 und eine Scheidedüse 40, die gegeneinander gerichtet sind, voneinander jedoch getrennt sind, so dass zwischen ihnen ein Trennbereich 41 gebildet wird. Bei dem Trägergas handelt es sich normalerweise um ein leichtes Gas, wie z. B. Helium. Wenn die die Verbindungsleitung 21 durchströmende Probe und das Trägergas den Trennbereich 41 erreichen, neigt das schwerere Probengas dazu, seine Vorwärtsbewegung beizubehalten und durch das Loch in der Scheidedüse 40 hindurchzuströmen. Das leichtere Trägergas hat dagegen die Neigung, aus dem Trennbereich 41 radial nach aussen abzubiegen und gelangt in den umschlossenen Raum 42. Dieser Raum wird mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert, die an die Leitung 43 angeschlossen ist.

Wie Fig. 3 zeigt, ist die Scheidedüse 40 an die Ionenstrahlquelle 18 des Massenspektrometers angeschlossen. Eine kompliziertere Verbindung wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine Injektionsöffnung 44 für ein Hilfsprobengas vorgesehen, so dass Probengas von anderen Quellen als dem Gaschromatographen in das Massenspektrometer eingeleitet werden kann.

Die Ionenstrahlquelle für das Massenspektrometer ist in einer evakuierten Kammer innerhalb des Behälters 45 enthalten. Der Behälter 45 wird normalerweise auf Erdpotential gehalten und mit einer nicht dargestellten Diffusionspumpe, die über eine Leitung 46 an die Kammer angeschlossen ist, evakuiert. Schliesslich ist die Verbindungskonstruktion in einem nicht dargestellten Ofen untergebracht, an dem die Temperatur des Jet-Separators geregelt werden kann.

Die generell mit 47 bezeichnete Ionenstrahlquelle ist in den Fig. 5,6 und 7 ausführlicher dargestellt. Sie besteht aus einem Gehäuse 48, das einen Hohlraum 49 sowie mehrere Elektroden enthält. Unter den Elektroden befindet sich eine Abstosselektrode 50 und eine erste Ausrichtelektrode geringer Energie mit einem ersten Richtschlitz 51. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die erste Ausrichtelektrode zwei Platten 52,53, die zueinander ausgerichtet sind und zwischen sich den ersten Richtschlitz 51 bilden. Die erste Ausrichtelektrode und die Abstosselektrode sind so zueinander angeordnet, dass zwischen ihnen der Ionenbildungsbereich R gebildet wird.

Die Ionenstrahlungsquelle enthält ferner eine Extraktionselektrode 54 mit einem Extraktionsschlitz 55, eine zweite Ausrichtelektrode hoher Energie mit einem zweiten Schlitz 56 und eine Austrittselektrode 57 mit einem Austrittsschlitz 58.

Ebenso wie die erste Ausrichtelektrode enthält die zweite Ausrichtelektrode bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Ionenblenden 59 und 60, zwischen denen sich der Schlitz 56 befindet. Die Extraktionselektrode 54 ist jedoch eine einzige * Platte.

Diese fünf Elektroden sind hintereinander angeordnet,

wobei die Reflektorelektrode und die erste Ausrichtelektrode in dem Hohlraum des Gehäuses 48 untergebracht sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Elektroden planparallel, jedoch können auch andere Arten von Ionenstrahl-optiken benutzt werden. Ferner kann die Ionenstrahlquelle auch ohne die Extraktionselektrode betrieben werden. Das Gehäuse und die Elektroden sind sämtlich aus geeigneten Metallen hergestellt, beispielsweise aus nicht magnetischem Edelstahl oder aus «Nichrome V».

Die Ionenstrahlquelle und sämtliche Elektroden mit Ausnahme der Eintrittselektrode sind an einem Haltestab 61 befestigt, der an einem Drehknopf 62 angebracht ist, welcher vakuumdicht mit dem Behälter 45 verbunden ist. Wie Fig. 3 zeigt besitzt der Drehknopf 62 ebenfalls mehrere Stifte 63, die über Drähte 64 mit den Elektroden der Ionenstrahlquelle verbunden sind. Der Eintrittsschlitz 57 wird unter Verwendung eines Stützblockes 65 und eines Kernes 66, dessen Zweck nachfolgend erläutert wird, separat von dem Gehäuse 45 getragen. Zusammen mit dem Gehäuse wird er auf Erdpotential gehalten.

Die Ionenstrahlquelle besitzt ferner einen Einlass 151 zum Einführen von Gas in dem Ionenbildungsraum. Dieser Einlass führt letztlich in eine Leitung 67 des Gehäuses 48. Diese Einlassleitung 51 verbindet in ihrer in Fig. 3 abgebildeten einfachsten Form die Scheideüse 40 mit dem restlichen Teil der Verbindungsleitung 21. Da der grösste Teil der Verbindungsleitung und des Anreicherers für das Probengas aus Glas besteht, müssen in dem Bereich 68 einige Metall/Glas-Übergänge vorhanden sein.

Schliesslich enthält die Ionenquelle einige Einrichtungen zur Bildung eines Elektronenstrahls in dem Ionenbildungsbereich. Zu diesem Zweck können die in der Ionenoptik bekannten Strahlerzeugungseinrichtungen eingesetzt werden. Eine Ionenkanone würde sich eignen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Bildung des Elektronenstrahls jedoch lediglich eine Elektrode 69 verwandt. Das Gehäuse 48 besitzt eine Elektronenstrahlöffnung, die bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 dadurch gebildet ist, dass in dem Gehäuse 48 eine Öffnung 70 vorgesehen ist, die mit einer Platte 71, in der sich die Elektronenöffnung 72 befindet, bedeckt ist. Der Elektronenstrahl 73 wird dadurch gebildet, dass die Elektrode 69 an ein gegenüber dem Gehäuse 48 negatives Potential gelegt wird. Dieser Strahl endet in einer durch eine Öffnung 74 und eine Platte 75 in dem Gehäuse 48 gebildeten Senke. Schliesslich ist eine Kappe 76 oberhalb der Elektrode 69 angeordnet. Bei der dargestellten Konstruktion reicht ein Potential von 70 V zwischen der Elektrode 69 und dem Gehäuse 48 zur Erzeugung des gewünschten Elektronenstrahls aus.

Es empfiehlt sich, eine Einrichtung vorzusehen, die in dem Ionenbildungsbereich parallel zur Längsachse des Elektronenstrahls ein Magnetfeld erzeugt. Hierdurch wird der Elektronenstrahl begrenzt und stabilisiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Magnetfeld durch zwei Permanentmagnete 80 und 81 erzeugt, deren Pole von dem Kern 66 in bezug auf das Gehäuse 48 gehalten werden, und das gewünschte Magnetfeld in dem Ionenbildungsbereich erzeugen. Zur Erzielung des gewünschten Effektes reicht ein Feld von 500 Gauss aus.

Bei der beschriebenen Ionenstrahlquelle ist die Leistung veränderbar. Im folgenden wird erörtert, in welcher Weise die Leistungsveränderung zur Erzielung eines Ionenstrahles

4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

616275

variabler Energie erfolgt, jedoch genügt es, im gegenwärtigen Augenblick festzustellen, dass ein derartiger lonenstrahl mit variabler Energie erzeugt wird, und dass das Potential der Elektroden von einem niedrigen Wert zu einem hohen Wert variiert werden muss. Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung führt eine Veränderung der Energie von einem geringen Wert von 540 eV zu einem hohen Wert von 12 000 eV zu einer Verschiebung der mit der Vorrichtung nachweisbaren Massen von 999 Atommasseneinheiten (AMU) bis zu 43 AMU.

Der Einsatz eines Magnetfeldes in Verbindung mit der Ionenstrahlquelle schafft eine ideale Umgebung für gefangene Ladungen in dem Bereich um die Magnetpole. Die hohe Energie der Ionenstrahlquelle verursacht eine Entladung dieser gefangenen Ladungen nach Erde. Diese ungewollten und schädlichen Entladungen können eliminiert werden, wenn die lonenquelle mit elektrischen Leitern versehen ist, die in den Bereich der gefangenen Ladungen hineinragen und die gefangenen Ladungen nach Masse ableiten. Es wurde beobachtet, dass die gefangenen Ladungen einen ringförmigen Bereich um jeden der Pole herum bilden, und dass die aus leitfähiger Folie bestehenden konischen Kappen 82 und 83, die in bezug auf die Polstücke 80 in der in Fig. 6 dargestellten Weise angeordnet sind, die Wirkung haben, dass sie den Bereich der gefangenen Ladungen abschneiden und, wenn sie geerdet sind, die Ladung nach Erde ableiten, bevor sich ein entladungsfähiges Potential aufgebaut hat.

Ferner ist es vorteilhaft, die Temperatur der Ionenstrahlquelle sorgfältig zu regulieren. Zu diesem Zweck ist an dem Gehäuse 48 eine Heizvorrichtung 84 vorgesehen.

Eine detailliertere Darstellung der Ionenstrahlquelle der Fig. 3 findet sich in Fig. 7. In dieser Figur sind das Gehäuse, Elektroden, Schlitze und Einlassleitung sämtlich mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den anderen Darstellungen, jedoch sind der Elektrodenanschluss und die Elektrodenabstützung detaillierter dargestellt. Sämtliche Elektroden mit Ausnahme der Eintrittselektrode werden durch mehrere Stützstangen von dem Gehäuse getragen. Über diese Stützstangen erfolgt auch die elektrische Verbindung zu den Elektroden. Wie Fig. 7 zeigt, ist die Reflektorelektrode eine flache Platte 50, die an einer über eine Teillänge mit Schraubgewinde versehenen Stange 90 befestigt ist, welche durch einen Kanal 91 des Gehäuses 48 hindurchragt. Die Stange 90 ist mit dem Reflektor 50 verschweisst, jedoch können auch andere Verbindungstech-niken angewandt werden. Die Stange 90 schafft die elektrische Verbindung zum Reflektor 50 und ist durch zwei Isolierscheiben 92 und 93, die aus einem beliebigen Isoliermaterial, z. B. Saphir, bestehen können, isoliert. Diese beiden Scheiben sitzen in ringförmigen Ausnehmungen des Kanals 91. Gegen die Scheibe 93 drückt eine Metallscheibe 94, die durch eine Mutter gesichert ist. Die Mutter 95 ist auf das Gewindeende der Schraube aufgeschraubt.

Jede der die erste Ausrichtelektrode bildenden Ionenblenden 52 und 93 wird in ähnlicher Weise durch Stangen 100 und

101 gehalten. Für eine feste elektrische Verbindung zwischen diesen Stangen und den jeweiligen Platten sorgen jeweils Schweissverbindungen. Die Stange 100 führt durch den Kanal

102 im Gehäuse 48 und die Stange 101 führt durch den Kanal

103 im Gehäuse 48. Wie bei der Reflektorelektrode ist jede der Platten der ersten Ausrichtelektrode von dem Gehäuse 48 durch zwei Isolierscheiben 104,105 bzw. 106,107 isoliert, die in ringförmigen Ausnehmungen des Gehäuses 48 liegen. Die Stangen werden durch Unterlegscheiben 108 und 109 und Muttern

110 und 111, die jeweils auf ihre Gewindeenden aufgeschraubt sind, relativ zum Gehäuse 48 in Stellung gehalten. Bei Verwendung unterschiedlich versetzter Scheiben oder vergrösserter ringförmiger Ausnehmungen können die Platten 52 und 53 relativ zueinander bewegt werden. Hierdurch erreicht man eine gewisse Freiheit bei der Fokussierung des Ionenstrahls.

In ähnlicher Weise sind sowohl die Extraktionselektrode 54 als auch die Platten 59 und 60 der zweiten Ausrichtelektrode mittels Stangen 120 und 121 am Gehäuse 48 befestigt. Im einzelnen wird die Extraktionselektrode 54 von Stangen 120 und 121 gehalten, wobei der elektrische Kontakt aber nur über die Stange 120 hergestellt wird. Die Platte 60 der zweiten Ausrichtelektrode wird ebenfalls von der Stange 120, mit der sie auch elektrisch verbunden ist, gehalten. Die Platte 59 der zweiten A.usrichtelektrode wird von der Stange 121 gehalten, ist jedoch elektrisch mit einer zweiten, nicht dargestellten Stange verbunden, die sich hinter der Stange 121 befindet und die in gleicher Weise mit der Platte verbunden ist, wie die Stange 120 mit der Platte 60. Die Platte 59 ist direkt an die Stange 121 ange-schweisst, die durch einen Kanal 122 der Extraktionselektrode 54 und einen Kanal 123 des Gehäuses 48 hindurchragt. Zum Abstandhalten zwischen der Platte 59 und der Elektrode 54 sowie zur Isolierung der Stange 121 gegenüber der Elektrode 54 dienen vier elektrisch isolierende Scheiben 124,125,126 bzw. 127. Um diese Anordnung an dem Gehäuse 48 zu befestigen, ist eine Metallscheibe 128 und eine Mutter 129 vorgesehen, die auf das Gewindeende der Stange 121 aufgeschraubt ist. Die Platte 60 wird von der Stange 121 getragen, ist jedoch elektrisch von ihr durch Isolierscheiben 130 und 131 getrennt. Zur Bewirkung der Abstützung, ohne die Platte 60 an der Stange 120 anschweissen zu müssen, besitzt die Stange 120 eine T-för-mige Kappe, die an der Scheibe 130 angreift. Die Stange 120 führt durch den Kanal 137 in Platte 60 und den Kanal 138 im Gehäuse 48 hindurch. Die Isolierscheiben 131 und 132 halten den Abstand zwischen der Platte 60 und der Elektrode 54, und die Stange 120 ist direkt mit der Elektrode 54 verbunden. Schliesslich ist die Stange 120 vom Gehäuse 48 durch Isolierscheiben 133 und 134 isoliert. Die Unterlegscheibe 135 und die Mutter 136, die auf das Gewindeende der Stange 120 aufgeschraubt ist, vervollständigen den Befestigungsmechanismus. Hinter den in dieser Figur im Schnitt dargestellten Stangen befindet sich ein komplementärer Stangensatz, der ebenfalls zur Schaffung von mechanischem Halt und elektrischer Verbindung für die Elektroden dient. Die Platten 52,53,59 und 60 werden von zwei Stangen getragen, die Extraktionselektode 54 wird von vier Stangen getragen, und die Reflektionselektrode 50 wird von zwei Stangen getragen. Der elektrische Anschluss der Elektroden kann über diese Stangen oder durch mit den Elektroden verbundene separate Drähte erfolgen.

Im Gegensatz zu den Elektrodenabständen und den Schlitzbreiten sind die Abmessungen der Ionenstrahlquelle nicht kritisch. Der Abstand dieser Elektroden und die Schlitzbreite sind in Tabelle I angegeben, wobei «a» den Abstand zwischen der Abstosselektrode und dem Elektronenstrahl, «b» den Abstand zwischen der ersten Ausrichtelektrode und dem Elektronenstrahl, «c» den Abstand zwischen der Extraktionselektrode und dem Elektronenstrahl, «d» den Abstand zwischen der zweiten Ausrichtelektrode und dem Elektronenstrahl, und «e» den Abstand zwischen der Austrittselektrode und dem Elektronenstrahl darstellt.

Tabelle I

Abstand (mm)

Schlitz

Breite (mm)

a) 1,27

erste Ausrichtelektrode

1,27

b) 1,78

Extraktorelektrode

1,27

c) 6,1

zweite Ausrichtelektrode

1,27

d) 9,1

Austrittselektrode

0,76

e) 20,0

An dem Gehäuse 48 ist mit einer Gewindebefestigung 150 ein kugelförmiges Anschlussstück 151 montiert. Durch dieses

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

616275

6

Anschlussstück und den Gewindeteil hindurch führt ein Kanal 152, der mit dem Einlasskanal 51 des Gehäuses 48 in Verbindung steht. Durch diesen Weg wird das das kugelförmige Anschlussstück durchströmende Probengas direkt in den lonenbildungsbereich eingeführt. Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Möglichkeit des Anschlusses der Verbindungsleitung 21 an die Ionenstrahlquelle durch das kugelförmige Verbindungsstück 151, wobei ein Anschlussrohr 153, dessen Zweck noch erläutert wird, auf das kugelförmige Verbindungsstück 151 aufgeschraubt ist. Innerhalb des Rohres 153 befindet sich eine federgespannte Anordnung mit zwei Passstücken 154 und 155. Ein Ende des Passstückes 154 ist gekrümmt und passt sich dem kugelförmigen Verbindungsstück 151 an, und ein Ende des Passstückes 155 ist gekrümmt und passt sich dem abgerundeten Ende eines Glasrohres 21 an. Das andere Ende des Passstückes 155 gleitet in einer Bohrung des Passstückes 154 und die beiden Passstücke werden durch eine Feder 156 auseinandergehalten. Schliesslich sind die Passstücke 154 und 155 in dem Rohr 153 in Kontakt mit dem Kugelpassstück 151 durch zwei Gleitringe 157 und 158 gehalten. Wenn der Gasanreicherer 23 durch Anschluss seiner Glaswände an die Metallwand des Behälters 45 mit der Ionenstrahlquelle 18 verbunden wird, passt sich das Ende der Verbindungskupplung 21 in die Ausnehmung des Passstückes 155 ein, so dass die innere Leitung im Rohr 21 mit den Leitungen 157 und 158 in den Passstücken 154 bzw. 155 in Eingriff steht. Auf diese Weise wird ein Gasweg zwischen dem Probengasanreicherer 23 und dem Ionenhildungsbereich R geschaffen.

Wie oben schon erläutert wurde, ist die Ionenstrahlquelle so konstruiert, dass sie einen Ionenstrahl mit variabler Energie erzeugt. Dies wird erreicht, indem das Potential der Ionenstrahlquelle zwischen einem geringen Wert bis auf ein Potential, das oberhalb 12 000 V liegt, variiert wird. Ferner arbeitet die Ionenquelle bei einem Druck von 0,001 Torr, obwohl eine gaschromatographische Säule bei einem Druck von etwa 1 Atmosphäre betrieben wird. Der Druck des Trägergases und des Probengases in der Verbindungsleitung 21 wird ausgehend von annähernd atmosphärischem Druck bis auf etwa 0,001 Torr reduziert. In dem Probengasanreicherer beträgt der Druck etwa 0,1 Torr. Dieser Druckabfall wird durch verschiedene Pumpen erzielt, die auf den Jet-Separator über Leitung 43 und auf die Ionenquelle über den Kanal 46 einwirken. Da der Gasdruck in der Zwischenleitung zwischen 1 Atmosphäre und etwa 0,001 Torr beträgt, durchläuft er auch einen Druckbereich, der für eine Gasentladung ideal geeignet ist. Wenn die zur Evakuierung des Jet-Separators verwendete Pumpe an Erdpotential liegt und wenn an der lonenquelle ein Potential liegt, das bis auf 12 000 V veränderbar ist, besteht die Gefahr, dass die gesamte Leitung von der Pumpe durch den Jet-Separator bis zur Ionenquelle sich wie ein Leuchtröhrenzeichen verhält. Diese Neigung kann unterbunden werden, indem das Potential der Pumpe und der betreffenden Teile der Verbindungsleitung erhöht wird, wenn der Druck bis auf den Druck der reduziert ist. Um dies zu erreichen, ist die Pumpe selbst elektrisch mit der Ionenstrahlquelle verbunden und die von dem Bereich 42 zur Pumpe führende Leitung 43 ist von einem leitfähigen Mantel

201 umgeben, der ebenfalls mit der Ionenstrahlquelle verbunden ist. Zusätzlich hierzu ist in dem Bereich 41 ein Drahtschirm

202 angebracht, der die Düse 39 von der Scheidedüse 40 des Jet-Separators trennt und dieser Drahtschirm ist über Leitung

203 elektrisch mit der Ionenstrahlquelle verbunden. Schliesslich ist von der von der Scheidedüse 40 zur Ionenstrahlquelle führenden Verbindungsleitung 21 soviel wie möglich in einem elektrisch leitfähigen Medium, das ebenfalls elektrisch mit der Ionenstrahlquelle verbunden ist, abgeschirmt. Bei der in Fig. 4 abgebildeten Ausführungsform ist der leitfähige Mantel 204 das Rohr 153, das in Gewindeeingriff mit dem kugelförmigen Anschlussstück 151 steht.

Bevor die elektrischen Anschlüsse zu den Elektroden der Ionenstrahlquelle behandelt werden, wird nachfolgend der restliche Teil des Massenspektrometers beschrieben. Der magnetische Sektor 19 des Massenspektrometers 16 besteht aus einem Pfad zwischen der Eintrittselektrode 57, die die Ionenstrahlquelle von dem magnetischen Sektor trennt, und einem weiteren Schlitz 210, der nachfolgend als Austrittsschlitz bezeichnet wird und der den magnetischen Sektor von dem Detektor trennt. Diese beiden Schlitze sind durch ein Rohr 211 getrennt, das mit einer nicht gezeichneten Diffusionspumpe evakuiert wird, die an das Rohr 211 über eine Leitung212 angeschlossen ist. Ein Abschnitt des Rohres 211 läuft zwischen den Polen eines Magneten hindurch. Wenn der Ionenstrahl durch das Rohr 211 läuft, erreicht er den von dem Magnetfeld, das durch den Magneten 213 erzeugt wird, durchsetzten Bereich und die Ionen in dem Strahl werden um einen Winkel abgelenkt, dessen Grösse von ihrer Energie abhängt. Bei richtiger Auswahl der beteiligten Parameter kann der auseinandergehende Strahl, der durch den Eintrittsschlitz 58 in den magnetischen Sektor eintritt, auf den Austrittsschlitz 210 fokussiert werden. Die Wahl dieser Parameter ist für den Fachmann, der sich mit Massenspektrometrie befasst, nicht schwierig. Eine geeignete Anordnung ist in Fig. 3 abgebildet. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die Pole des Magneten 213 über einen Winkel von 58 ° und die Eintritts- und Austrittsflächen der Pole sind gegenüber der Senkrechten um 22V20 schräggestellt. Der Krümmungsradius der Mittellinie des Polstückes beträgt ca. 10 cm, der Abstand zwischen dem Eintrittsschlitz und der Stelle, an der die Mittellinie des Ionenstrahlweges in den magnetischen Bereich eintritt (unter Vernachlässigung von Streufeldern) beträgt etwa 17,7 cm und die Entfernung zwischen dem Austrittsschlitz und der Stelle, an der die Mittellinie des Ionenstrahlweges in den magnetischen Bereich eintritt, beträgt etwa 18,3 cm.

Bei einem Massenspektrometer dieser Art ist das Magnetfeld im wesentlichen fest. Eine zweckmässige Einstellung würde bei 10 000 Gauss liegen. Bei Verwendung des Gerätes nach Fig. 3 mit einer Einstellung des Magnetfeldes auf 10 000 Gauss würden Ionen mit Massen zwischen 43 und 999 AMU auf den Detektor 20 fokussiert werden können, indem die Energie des Ionenstrahles zwischen 540 und 12 000 eV variiert wird. Unterhalb 43 AMU treten jedoch wegen der hohen benötigten elektrischen Feldstärken Schwierigkeiten auf. Trotz der Tatsache, dass die meisten interessierenden Massen in dem Bereich zwischen 43 und 999 AMU liegen, ist das vorliegende Gerät mit Einrichtungen ausgerüstet, die es ermöglichen, das Magnetfeld unter den eingestellten Wert abzuschwächen, so dass auch gewünschtenfalls Massen unterhalb 43 AMU gemessen werden können. Der Detektor 20 enthält ein Gehäuse 214, in dem ein Elektronenvervielfacher 215 herkömmlicher Konstruktion angeordnet ist. In der Nähe des den magnetischen Sektor von dem Detektor trennenden Austrittsschlitzes 210 sind zu beiden Seiten des Ionenstrahls zwei parallele Elektroden 216 und 217 angeordnet. Diese beiden Platten sind über Leitungen 218 und 219 mit einer Wechselpotentialquelle verbunden. Ihr Zweck wird nachfolgend noch erläutert

Zu den Grundelementen der beschriebenen Ionenstrahlquelle gehören die Reflektorelektrode, die ersten und die zweiten Ausrichtelektroden und die Eintrittselektrode. Wie schon erwähnt, besteht bei Ionenstrahlquellen, bei denen die Energie des Ionenstrahls über einen breiten Energiebereich veränderbar sein soll, das Grundproblem darin, dass der Ionenstrahl bei einer erheblichen Änderung des Potentials der Ionenquelle defokussiert und eventuell verlorengeht, obwohl es möglich ist, die Elemente der Ionenquelle bei einer vorgegebenen Energie zur Erzeugung eines fokussierten Ionenstrahls bei dieser Energie auszurichten. Es hat sich nun herausgestellt, dass diese Schwierigkeit vermieden werden kann, wenn die Energien der

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

616275

Reflektorelektrode und der ersten und zweiten Ausrichtelektroden sämtlich in bezug auf die Eintrittselektrode zusammengebracht werden. Im einzelnen wurde herausgefunden, dass das Potential der ersten Ausrichtelektrode in bezug auf die Eintrittselektrode bei Aufrechterhaltung eines auf den Eintrittsschlitz fokussierten Ionenstrahls über einen weiteren Energiebereich variiert werden kann, wenn die Reflektorelektrode bezogen auf die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten Potential gehalten wird, wenn die zweite Ausrichtelektrode auf einem Potential gehalten wird, das negativer ist als das der ersten Ausrichtelektrode, jedoch proportional zu diesem, und wenn die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten positiven Potential gegenüber der Eintrittselektrode gehalten wird.

Obwohl diese Elektrodenkonstellation durchaus zufriedenstellend arbeitet, kann sie noch wesentlich verbessert werden, indem man eine fünfte Elektrode, die Extraktionselektrode, zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode anordnet. In dieser Konstellation sind alle Potentiale auf das Potential der Extraktionselektrode bezogen, mit Ausnahme desjenigen der Eintrittselektrode, die normalerweise auf Erdpotential gehalten wird. Die Reflektorelektrode wird auf einem konstanten Potential gegenüber der ersten Ausrichtelektrode gehalten, und die erste Ausrichtelektrode auf einem konstanten Potential gegenüber der Extraktionselektrode. Die zweite Ausrichtelektrode wird dann auf einem Potential gehalten, das positiver ist als dasjenige der Extraktionselektrode, jedoch proportional zu diesem, und die erste Ausrichtelektrode wird auf einem gegenüber der Çintrittselektrode positivem Potential gehalten. Verändert wird dabei das Potential der Extraktionselektrode, um die Energie des Ionenstrahls zu variieren.

Gemäss Fig. 5 sind die Potentiale der verschiedenen Elektroden in dem Gehäuse so gewählt, dass sie von der Eintrittselektrode zur Reflektorelektrode zunehmend positiver werden. Die Reflektorelektrode kann theoretisch ein Potential haben, das positiver ist als dasjenige des Gehäuses. Bei dieser Konfiguration würde eine Äquipotentiallinie entsprechend dem Gehäusepotential zwischen der Reflektorelektrode und der ersten Ausrichtelektrode im Ionenbildungsbereich verlaufen. Man kann erwarten, dass dieses Äquipotential eine ideale Position für den Elektronenstrahl ist. Obwohl diese Konfiguration funktioniert, hat sich herausgestellt, dass das Elektrodensystem noch besser arbeitet, wenn die Reflektorelektrode auf negativem Potential, bezogen auf das Gehäuse, gehalten wird.

Wenn der Extraktionselektrode ein Potential V mitgeteilt wird, dann werden die übrigen Elektroden, unter der Voraussetzung, dass die Eintrittselektrode geerdet ist, die in Fig. 5 eingezeichneten Potentiale haben; z. B. Ki V, K2V, V+A, V+B, V+C und V+D. Wie oben erwähnt, wird das Potential der Extraktionselektrode gegenüber der Eintrittselektrode verändert. Die Absolutwerte der in der Ionenstrahlquelle verwendeten Potentialwerte variieren natürlich mit den Abmessungen der Ionenstrahlquelle, jedoch hat das dargestellte Massenspektrometer einen Massenbereich von 43 bis 999 AMU, wenn für die in den Fig. 5 und 7 abgebildete Ionenstrahlquelle das Potential V zwischen 540 und 12 000 V variiert wird. Die Platten der zweiten Ausrichtelektroden werden dann auf einem Potential gehalten, das dem Potential der Extraktionselektrode proportional ist. Die Proportionalitätskonstanten Ki und K2 liegen im Bereich zwischen etwa 0,8 und 0,95, wobei ein Wert von etwa 0,85 normal ist. Das Gehäuse wird auf einem Potential A gegenüber der Extraktionselektrode gehalten, wobei der Wert von A im Bereich von 0 bis etwa 90 V, namentlich bei 50 V liegt. Das Potential des Reflektors wird auf einem konstanten Wert B in bezug auf die Extraktionselektrode gehalten. B liegt im Bereich von etwa -50 bis etwa 140 V, kann jedoch besser unter Bezugnahme auf die Konstante A ausgedrückt werden. B liegt dabei im Bereich von (A—50) bis (A+50) V, namentlich bei 45 V. Die Platten der zweiten Ausrichtelektrode werden auf im wesentlichen gleichem Potential gehalten. Die Konstanten C und B liegen im Bereich zwischen —50 und 90 V. Unter Verwendung der Konstanten A ausgedrückt liegen diese Konstanten im Bereich von A bis (A-50) V, namentlich bei etwa 35 V. Diese Werte sind in Tabelle II eingetragen.

Tabelle II

Konstante Bereich Bezeichnung zu A nominell

A 0-90 50

B (—50)-140 (A-50) + (A+50) 45

C, D (—50)-90 A-(A—50) 35

Kx, Kz 0,80-0,95 0,85

Im Betrieb trifft der Elektronenstrahl 73 auf die in den lonenbildungsbereich R durch den Gaschromatographen eingeführten Gasmoleküle, wodurch Ionen gebildet werden. Das Potential der Extraktionselektrode zieht diese Ionen aus dem lonenbildungsbereich heraus und fokussiert sie auf einem Punkt zwischen der ersten und der zweiten Ausrichtelektrode in dem Bereich, der generell als Extraktionsschlitz bezeichnet wird. Der Ionenstrahl wird dann an dem Eintrittsschlitz refo-kussiert. Die erste und die zweite Ausrichtelektrode werden Ausrichtselektroden genannt, weil sie zur Ausrichtung des Ionenstrahls benutzt werden können. Beide Ausrichtelektroden bestehen aus zwei separaten Platten mit getrennt einstellbaren Potentialen. Die erste Ausrichtelektrode hat einen ausgeprägteren Fokussierungseffekt im Niedrigenergiebereich des Ionenstrahls und wird daher als Niedrigenergie-Ausrichtelektrode bezeichnet. Die zweite Ausrichtelektrode übt dagegen eine stärkere Fokussierungswirkung auf die Hochenergieionen des Strahls aus und wird daher als Hochenergie-Ausrichtelek-trode bezeichnet. Wenn V das untere Ende des Potentialbereichs darstellt, können die Relativpotentiale der beiden Platten, die die erste Ausrichtelektrode bilden, verändert werden, um den Ionenstrahl auf den Eintrittsschlitz zu fokussieren, und wenn V das obere Ende des Energiebereichs darstellt, können die Relativpotentiale der beiden die zweite Ausrichtelektrode bildenden Platten verändert werden, um den Ionenstrahl auf den Eintrittsschlitz zu fokussieren. Auf diese Weise kann die Ionenstrahlquelle «abgestimmt» werden, so dass der Ionenstrahl auch bei Veränderung der Strahlenergie auf den Eintrittsschlitz fokussiert bleibt.

Die Energie des von der Ionenstrahlquelle ausgehenden lonenstrahls kann entweder kontinuierlich variiert werden, indem das Potential der Extraktionselektrode gegenüber der Eintrittselektrode variiert wird, oder diskret, indem die Energie der Extraktionselektrode in bezug auf die Eintrittselektrode inkrementell verändert wird. Die diskrete Veränderung der Energie des Ionenstrahls bietet einige Vorteile hinsichtlich der Vereinfachung der Steuerung des Gerätes und der Möglichkeit der Digitalisierung des Betriebes. Diese Betriebsweise bringt jedoch auch einige Probleme. Das dargestellte Massenspektrometer, und magnetische Massenspektrometer allgemein, stellen Geräte mit konstanter Leistungsauflösung dar. Dies bedeutet, dass die Auflösung in jedem Inkrement des Massenspektrums über den erfassten Massenbereich die gleiche ist wie die Auflösung in jedem anderen Inkrement des Massenspektrums. Die Auflösung des Massenspektrometers ist definiert als M/À M, wobei M die Ionenmasse in AMU ist und A M für eine bestimmte Masse die Breite des Spitzenwertes. Wenn die Auflösung konstant und M gross ist, ist auch A M gross und der Massenspitzenwert ist bezogen auf die Massenspitzenwerte bei kleineren Massen breit. Diese Ungleichheit zwischen den Massenbreiten verursacht zwei Schwierigkeiten. Als erstes besteht die Gefahr, dass sie Fehlinterpretationen beim Ablesen des Massenspektrums verursacht. Dies trifft sowohl bei konti5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

616275

nuierlicher als auch bei diskreter Veränderung der Ionenstrahl-energie ein. Bei diskreter Betriebsweise verursacht jedoch die geringe Breite der Massenlinien bei geringen Massen grössere Schwierigkeiten. Wegen des Energieunterschiedes zwischen zwei diskreten Niveaus beim Betrieb der Ionenstrahlquelle können einige Massenlinien verlorengehen. Wenn sie innerhalb des Bereiches der Energieverschiebung liegen und so schmal sind, dass sie sich nicht über den Verschiebungsbereich erstrek-ken, können sie vollständig unbemerkt bleiben.

Das Massenspektrometer ist mit zwei Platten 216 und 217 versehen, die in der Nähe des Austrittsschlitzes des Massenspektrometers liegen. Wenn ein Wechselspannungspotential (vorzugsweise eine Spannung in Sägezahn- oder Dreieckwellenform) an diese Platten angelegt wird, streicht der Brennpunkt des Massenstrahles über den Austrittsschlitz hin und her. Dies bewirkt eine Verbreiterung der Massenlinie. Auf diese Weise wird das Auftreten des Massenspektrums vergrössert und es gehen keine Massenlinien in dem Übergangsbereich von einem diskreten Energieniveau zum nächsten verloren. Das an die Platten 216 und 217 angelegte Potential sollte entsprechend der Geometrie des Massenspektrometers gewählt werden. Für das oben beschriebene Gerät hat sich ein Potential von bis zu 100 V als zweckmässig erwiesen. Die in Fig. 3 abgebildeten Platten sind jedoch ziemlich lang. Wenn die Platten lang sind, kann eine niedrigere Spannung zur Defokussierung des Ionenstrahls verwendet werden, und die Gefahr eines elektrischen Zusammenbruchs verringert sich, jedoch haben grosse Platten kein so gutes Übertragungsverhalten für Hochfrequenz. Kleine Platten haben ein besseres Übertragungsverhalten für Hochfrequenz, erfordern jedoch höhere Potentiale zur Erzielung der gewünschten Defokussierung und höhere Potentiale sind schwieriger zu erzeugen. Die Platten sollten je nach Wahl so klein wie möglich und die Spannung sollte so hoch wie möglich sein.

Das Potential sollte mit einer Frequenz zwischen 50 und 200 kHz verändert werden, wobei etwa 100 kHz normal sind. Im Betrieb ist diese künstliche Verbreiterung der Linien bei Massen, die grösser sind als etwa 300 AMU, nicht erforderlich. Daher wird das Wechselspannungspotential im Massenbereich zwischen 43 AMU und 300 AMU zugeschaltet und oberhalb dieses Punktes abgeschaltet.

Fig. 8 zeigt schematisch die Art und Weise, in der die Energie des Ionenstrahls inkrementell erhöht wird. Ein vierstelliges binärkodiertes Dezimalregister (BCD) 300 ist hierfür vorgesehen. Solche Register werden von Motorola unter der Bezeichnung MC 14042 oder MC 14510 vertrieben. Dieses Register kann eine Zahl zwischen 0 und 999,9 in Zehntel von Dezimalmkrementen aufnehmen, jede Stelle in dem BCD ist an einen Digital/Analog-Umsetzer 301 mit vier Drähten angeschlossen. Der Digital/Analog-Umsetzer kann in bekannter Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann der Baustein CY 2736 von Cycon Inc. verwendet werden, der eine Spannung «e» erzeugt, die derjenigen Zahl, die an dem vierstelligen Binärbaustein ansteht, proportional ist. Die Spannung wird dann einem Spannungsteiler 302 zugeführt, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Reziprokwert der von dem Digital/Analog-Umsetzer erzeugten Spannung «e» proportional ist. Ein solcher Spannungsteiler wird von der Fa. Functional Moduals Inc. als Modell 9522 vertrieben. Das Ausgangssignal des Spannungsteilers 302 wird einem Verstärker 303 zugeführt. Dieser Verstärker sollte nichtlinear, stabil, schnell und rauschfrei sein. Er sollte ferner fähig sein, hohe Spannungen zu verarbeiten. Infolge der Arbeitsweise des Massenspektrometers ist die auf den Detektor auftreffende Ionenmasse um so geringer, je höher die an die Ionenstrahlquelle angelegte Spannung ist. Bei Verwendung des Teilers 302 kann man eine Spannung «e» erzeugen, die nach Kalibrierung und Anlegung an die Ionenstrahlquelle einen Strahl fokussiert, dessen Masse von dem vierstelligen BCD auf dem

Detektor des Massenspektrometers angezeigt wird;

Fig. 11 veranschaulicht die Steuertafel des beschriebenen Massenspektrometers. Die rechte untere Ecke der Steuertafel ist ein Tastenfeld 305 und eine Anzeige 306, mit denen es möglich ist, die das System betreibenden Computer willkürlich zu programmieren. In der linken unteren Ecke der Konsole befindet sich eine Massenprogrammiereinheit 307, an der der interessierende Massenbereich eingestellt werden kann. Durch Drücken des Knopfes 308, der die Aufschrift «Hoch» trägt, und durch Eintippen der oberen interessierenden Masse in das System und durch Drücken des Knopfes 309, der die Aufschrift «Niedrig» trägt, und Eintippen der nierigen interessierenden Masse, kann man den interessierenden Massenbereich festlegen. Der niedrige Massenwert wird zu dem vierstelligen BCD 300 übertragen. Durch Drücken des Knopfes 310 oder 311 fährt der BCD 300 automatisch in Inkrementen von Zehntel Einheiten der Masse vom niedrigen zum hohen Wert. Eine Einzelüberstreichung des Bereiches kann man erhalten, indem Knopf 311 gedrückt wird und ein wiederholtes Überstreichen erhält man durch Drücken des Knopfes 310. Die Rate, mit der die Überstreichung des interessierenden Massenbereiches erfolgt, kann unter Verwendung eines Systems nach Fig. 8 und der Knöpfe 312 und 313 eingestellt werden.

Das Herz des Massenabtastsystems ist ein aufwärts und abwärts betreibbares Laderegister 314, bei dem es sich um einen Festkörperbaustein des Modells MC 14510 von Motorola handelt. Das Register ist so konstruiert, dass es eine Spannung erzeugt, die demjenigen Zustand entspricht, in dem das Gerät sich momentan befindet. Dieser Zustand des Systems kann die Skala hinauf sequentiell von einer Position zur anderen geändert werden, indem der Knopf 312 gedrückt wird und die Skala abwärts, indem der Knopf 313 gedrückt wird. Von diesem System führt ein Leitungsbündel zu einer Anzeigeeinrichtung 315 und ein anderes Leitungsbündel zu einer Anzahl anderer Baugruppen, wie einer Papiervorschubsteuerung 316, einer Massenabtaststeuerung 317 und einer Bandpasssteuerung 318. Wenn das Festkörperbauteil sich in einem bestimmten Zustand befindet, wie durch Fig. 9 angegeben, wird eine bestimmte Papiervorschubgeschwindigkeit, eine bestimmte Massenabtastung und ein bestimmter Bandpass für diese Massenabtastung aktiviert und ein die Rate, mit der die Massenabtastung erfolgt, in AMU pro Sekunde kennzeichnendes Licht wird an der Anzeigeeinrichtung 315 angezeigt. Obwohl das System imstande ist, mit 2000 AMU pro Sekunde abzutasten, mit einer Rückkehrrate von 0,003 Sekunden, sind mechanische Aufzeichnungsgeräte nicht in der Lage, so schnell zu laufen, so dass bei einem in dieser Art betriebenen System die schnellstmögliche Abtastrate bei 512 AMU pro Sekunde liegt. Die Massenabtastung kann jedoch auf einem Bildschirm abgebildet werden, wobei die Geschwindigkeit nicht mechanisch beschränkt ist. Das System ist daher so konstruiert, dass es selbst oder ein unterschiedlicher Massenbereich für die Auslesung durch das Sichtgerät unter Verwendung einer Sichtgerät-Programmiereinheit 319, des Hoch-Knopfes 320 und des Niedrig-Knopfes 321 programmiert werden kann. Bei Verwendung des Tastenfeldes 305 kann man die hohe und niedrige Masse für eine Abtastung mit 2000 AMU pro Sekunde programmieren. Bei Drük-ken des Betriebsknopfes 322 beginnt die Abtastung und die Aufzeichnung auf dem Sichtgerät zu laufen.

Unter Verwendung der Temperaturregeleinheit 323 können auch andere Parameter des Systems eingestellt werden. An den Knöpfen 325 und 326 und an dem Tastenfeld 305 können die Anfangs- und Endtemperaturen der chromatographischen Säule eingestellt werden, wobei die Änderungsrate in Grad pro Minute durch die Knöpfe 327 und 328 und die Anzeigevorrichtung 329 gesteuert wird. Die Knöpfe 327 und 328 und die Anzeigevorrichtung 329 arbeiten in genau derselben Weise wie das unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschriebene System. Durch

8

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Drücken der Knöpfe 330,331 und 332 kann man die Injektortemperatur, die Düsentemperatur und die Quellentemperatur für das System unter Benutzung des Tastenfeldes 305 einstellen.

Normalerweise ist das System für die Benutzung mit einer s Anzahl verschiedener Gase für die chemische Ionisierung vorgesehen, und durch Drücken der Knöpfe 333,334 und 335 an der Steuerstation 336 kann man das gewünschte Gas auswählen. Durch Benutzung der Knöpfe 337,338 und 339 kann man das System entweder in den Arbeitszustand, in den Wartezu- '0 stand oder in den Abschaltzustand versetzen.

Durch Verwendung einer Speicherstelle 340 kann man in einen nicht dargestellten Speicher ein bestimmtes Verfahren eingeben und durch Drücken der Knöpfe 341 bzw. 342 wieder abrufen. Man kann dem Verfahren eine Speichernummer is geben, indem der Knopf 343 gedrückt und das Tastenfeld 305 benutzt wird. Ferner ist ein Hilfsknopf 344 zur Erzielung anderer Operationen vorgesehen.

Die letzte Station auf der Steuertafel 345 wird dazu benutzt, ein Erkennungssystem einzuschalten, das bestimmte Massen- 20

616275

spitzen identifiziert. Diese spezifischen Massenidentifizierungsspitzen können in das System eingelesen werden, indem der Knopf 346 gedrückt wird und die Erkennungsprozedur wird durch Drücken des Knopfes 347 gestartet.

Die Verwendung eines Systems mit diskreten Energiewerten zum Betrieb des Massenspektrometers ermöglicht die Konstruktion eines sehr einfachen Massenidentifizierungssystems. Dieses Massenidentifizierungssystem ist in Fig. 10 abgebildet, wo die obere Kurve ein Massenspektrum eines fiktiven Gases darstellt und die untere Kurve eine Rechteckwelle bildet, die von dem in Fig. 8 dargestellten System erzeugt wird. Jedesmal, wenn der BCD 300 um eine Masseneinheit fortschaltet, wird eine Flanke einer Rechteckwelle erzeugt. Die Rechteckwelle hat eine eingestellte Amplitude, die sich jedesmal verdoppelt, wenn ein Zehner an Masseneinheiten erreicht ist, und sich verdreifacht, wenn ein Hunderter an Masseneinheiten erreicht ist. Die Konstruktion einer elektronischen Schaltung, die aus der von dem System nach Fig. 8 erzeugten Inkrementalspannung eine solche Rechteckwelle erzeugt, liegt im Bereich der Fähigkeiten des einschlägigen Fachmanns.

G

4 Blatt Zeichnungen

Claims

616275 t 2 PATENTANSPRÜCHE (39,40), einen im Bereich zwischen den Düsen (39,40) angeord-

1. Analysevorrichtung, die einen Gaschromatograph (11) neten zweiten elektrischen Leiter (203) und Mittel, um das mit einer einen Gaseinlass (13) und einen Gasauslass (14) auf- Potential des zweiten elektrischen Leiters und der Vakuumweisenden Chromatographiesäule (12), ein Massenspektrome- pumpe etwa auf dem Potential des Gehäuses der Ionenstrahl-ter (16) mit einer Ionenstrahlquelle (18) zur Erzeugung eines s quelle zu halten, aufweist.

Ionenstrahls variabler Energie, wobei die Ionenstrahlquelle einen durch ein Elektrodenpaar (50,52) begrenzten Ionenbildungsbereich, eine einen Austrittsschlitz (58) aufweisende Aus-

trittselektrode (57), einen Gaseinlass (151) zum Einführen von Gas in den Ionenbildungsbereich und eine Vorrichtung zur io

Erzeugung eines Elektronenstrahls in dem Ionenbildungsbe- Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung, die einen reich aufweist, während das Massenspektrometer einen Gaschromatograph und ein Massenspektrometer umfasst.

Magnetfeld-Sektor (19) zur Ablenkung der Ionen des Ionen- Als Analysegeräte werden sowohl Gaschromatographen s trahis und einen Detektor (20) zum Nachweis von Ionen, die als auch Massenspektrometer eingesetzt. Es ist auch seit lan-durch das Magnetfeld in einem bestimmten Winkel abgelenkt is gem bekannt, dass ein leistungsfähiges Analysegerät durch worden sind, aufweist, und ein Verbindungsstück (21), das den Kombination dieser beiden Instrumente entsteht. Gaschroma-Gasauslass (14) des Chromatographen (11) mit dem Einlass der tographen arbeiten jedoch im allgemeinen bei atmosphäri-Ionenstrahlquelle (18) verbindet, umfasst, dadurch gekenn- schem Druck, während Massenspektrometer bei einem stark,

zeichnet, dass das den Ionenbildungsbereich bildende Elektro- reduzierten Druck betrieben werden. Um diesen Verhältnissen denpaar der Ionenstrahlquelle (18) aus einer Abstosselektrode 20 Rechnung zu tragen, muss eine Verbindungseinrichtung vorge-(50) und einer ersten, einen Richtschlitz (51) aufweisenden Aus- sehen werden, die den Druck des den Gaschromatographen richtelektrode (52,53) zur Erzeugung von Ionen geringer Ener- verlassenden Probengases vor seinem Eintritt in das Massen-gie besteht, dass ferner eine zweite, aus zwei Platten (59,60), spektrometer reduziert. Da ferner Gaschromatographen so zwischen denen sich ein zweiter Ausrichtschlitz (56) befindet, arbeiten, dass eine geringe Menge an Probengas unter Verwen-bestehende zweite Ausrichtelektrode zur Erzeugung von Ionen 25 dung einer grossen Menge an Trägergas eine Säule durchhoher Energie, Mittel, um die Abstosselektrode (50) auf einem strömt, muss eine Möglichkeit gefunden werden, die Konzengegenüber der ersten Ausrichtelektrode (52,53) konstanten tration des Probengases gegenüber dem Trägergas anzurei-Potential zu halten, Mittel, um die zweite Ausrichtelektrode (59, chern, bevor die Gasmischung ein Massenspektrometer 60) auf einem Potential zu halten, das negativer ist als das erreicht. Findet diese Anreicherung nicht statt, so wird die

Potential der ersten Ausrichtelektrode (52,53) und proportio- 30 Empfindlichkeit des Massenspektrometers herabgesetzt.

nal zu einer Änderung des Potentials der ersten Ausrichtelek- Ein Gaschromatograph trennt die verschiedenen Kompo-

trode ebenfalls ändert, und Mittel, um die erste Ausrichtelek- nenten des Probengases, so dass die Zusammensetzung des den trode (52,53) auf einem gegenüber der Austrittselektrode (57) Chromatographen verlassenden Gases sieh mit der Zeit ändert, positiven Potential zu halten und dieses Potential proportional infolge der kontinuierlichen Änderung der Zusammensetzung zum Potential der Austrittselektrode (57) zu verändern, vorhan-35 des Gasstromes, der das Massenspektrometer erreicht, muss den sind. ein jedes Massenspektrometer, das in Verbindung mit einem

2. Analysevorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch Gaschromatographen arbeiten soll, so ausgebildet sein, dass es gekennzeichnet, dass sie ausserdem eine einen Schlitz aufwei- das Massenspektrum schnell durchläuft, so dass die Änderung sende Ionenblende (210), die den Magnetfeld-Sektor (19) von der Zusammensetzung des den Chromatographen verlassendem Ionendetektor (20) trennt, ein Paar einander gegenüberlie- 40 den Gases messtechnisch erfasst wird. Für Massenspektrome-genden, innerhalb des magnetischen Sektors (19) in der Nähe ter, die mit einem magnetischen Sektor arbeiten, kann die Mas-der Ionenblende (210) angeordneter Deflektorelektroden (216, senuntersuchung entweder durchgeführt werden, indem das 217), wobei je eine Deflektorelektrode auf jeder Seite des Magnetf eld verändert wird oder indem man die Energie des Ionenstrahls liegt, und Mittel zum Anlegen einer Wechselspan- Ionenstrahls verändert. Eine Veränderung des Magnetfeldes ist nung an die Deflektorelektroden aufweist. 45 jedoch ein vergleichsweise langsamer Prozess, so dass eine

3. Analysevorrichtung gemäss Patentanspruch 2, dadurch Veränderung der Energie des Ionenstrahls vorteilhafter ist. gekennzeichnet, dass das Mittel zur Anlegung einer Wechsel- Die bekannten magnetischen Massenspektrometer stellen Spannung an die Deflektorelektroden (216,217) eine Wechsel- massive Konstruktionen dar, bei denen der gesamte Ionenspannung mit einer Frequenz im Bereich von 50 bis 200 kHz strahl einschliesslich der Ionenstrahlquelle in dem Magnetfeld aufweist. so untergebracht ist Die grosse Menge an Metall, die erforderlich

4. Analysevorrichtung gemäss Patentanspruch 2, dadurch ist, um ein solches Magnetfeld zu erzeugen, ist unwirtschaftlich, gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (21) zwischen dem so dass in den letzten Jahren die Abmessungen des Magneten Gasauslass (14) des Gaschromatographen (11) und der Ionen- so weit verringert wurden, dass nur ein kleines Segment des strahlquelle ein elektrisch nicht leitendes Verbindungsstück Ionenstrahlweges tatsächlich zwischen den Polen des Magnesi) ist, das eine Drossel (22) zur Erzeugung eines Druckabfalls 55 ten hindurchführt. Mindestens für solche Fälle, in denen die zwischen dem Chromatographen (11) und dem Massenspektro- ionenstrahlquelle ausserhalb der analysierenden Magnetpole meter ( 16) enthält, dass in Strömungsrichtung hinter der Dros- liegt, wurde keine zufriedenstellende Lösung zur Erzeugung sei (22) ein Probengasanreicherer (23) zur Erhöhung der Kon- eines Ionenstrahls durch Veränderung des Potentials der zentration des Probengases im Trägergas angeordnet ist, dass Ionenstrahlquelle gefunden. Man kann solche Quellen erzeu-im Niederdruckbereich des Zwischenstücks (21) ein erster elek-60 gen, wenn die Energie des Strahls nur über einen kleinen Ener-trischer Leiter liegt und dass ein Mittel vorhanden ist, um das giebereich verändert wird, wenn jedoch die Energie des Strahls Potential des ersten elektrischen Leiters etwa auf dem gleichen über einen grossen Energiebereich verändert werden muss, um Potential zu halten wie das Gehäuse der Ionenstrahlquelle. einen grossen Bereich des Massenspektrums zu erfassen,

5. Analysevorrichtung gemäss Patentanspruch 4, dadurch konnte man bisher keine zufriedenstellende Fokussierung des gekennzeichnet, dass der Probengasanreicherer (23) ein Düsen-65 Ionenstrahls erhalten. Eine Fokussierung ist zwar bei einer Separator ist, der eine Eingangsdüse (39), eine gegenüber der bestimmten Energie möglich, jedoch ändert sich der Fokus des Eingangsdüse (39) verschobene Scheidedüse (40), eine Vaku- Ionenstrahls mit der Energie, so dass der Ionenstrahl eventuell umpumpe zum Evakuieren des Bereichs zwischen den Düsen sogar ausgelöscht wird.

Ausserdem treten in einem analytischen System, bei dem ein Gaschromatograph mit einem Massenspektrometer kombiniert wird, eine Reihe zusätzlicher Probleme auf, wenn eine IonenqueSe variabler Energie verwendet wird. Da Vorkehrungen getroffen werden müssen, um den Druck in dem Zwischenbereich zwischen dem Gaschromatographen und dem Massenspektrometer von etwa atmosphärischem Druck im Chromatographen bis auf etwa 0,001 Torr in der Ionenquelle zu verringern, muss der Druck im Zwischenbereich eine Zone durchlaufen, die ideal für Gasentladungen geeignet ist. Hierin liegt eine der Schwierigkeiten, denn diese Zone reduzierten Druckes erzeugt, wenn sie mit der hohen Energie der Ionenquelle verbunden wird, eine Gasentladung in der Verbindungsleitung. Aus naheliegenden Gründen darf dies nicht geschehen.