DE1498531A1

DE1498531A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Massenmarkierung in Massenspektrometern

Info

Publication number: DE1498531A1
Application number: DE19631498531
Authority: DE
Inventors: Kronenberger Dr Kurt
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Varian Mat GmbH
Priority date: 1963-11-27
Filing date: 1963-11-27
Publication date: 1969-07-03
Also published as: US3342991A; DE1498531B2; GB1087344A; DE1498531C3

Description

VEHi¹AHREW UND 70EHIGHTUIiG ZUR MASSENMARKIERUNG IN MASSENSPEKTROMETERN

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Magnetfeldmessung» insbesondere zur Massenmarkierung in Massenspektrometer^ bei denen die Massentrennung durch Ablenkung in einem Magnetfeld und der Massendurchlauf durch Magnetfeldänderung herbeigeführt wird·

Bei diesen Geräten ist es erwünscht, die Magnetfeldstärke so genau zu messen, daß man aus der Feldstärke eindeutig auf die Massenzahl schließen kann.

Erfindungsgemäß läßt sich eine sehr hohe Genauigkeit dieser Messung dadurch erzielen, daß die Differenzspannung aus der Hallspannung eines im Spalt des Trennmagneten angeordneten Hallgenerators und einer Vergleichsspannung,

■v . ·

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IHCIUJO I

die proportional ist dem Erregerstrom des Hallgenerators und von einem stufenförmig unterteilten Normalwiderst and abgenommen wird, gebildet und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes zur Umschaltung der Vergleichsspannung und Anzeige der Magnetfeldstärke bzw. der Massenzahl im Moment der Umschaltung benutzt wird.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Massenmarkierung in Massenspektrometern nach der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 das Beispiel einer Messenmarkierung auf einem .Registrierstreifen mit einer Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 die Frontplatte zum Gerät nach Fig. 1,

Fig. 5 den Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Vergleichswiderstandes ,

Fig. 6 den Aufbau und die Anordnung der Abgriffe

des im Vergleichswiderstand nach Fig. 5 benutzten Teiles,

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χ an einem Beispiel .......3

BAD ORIGINAL

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Pig. 7 die Lage der Hallaonde des Gerätes nach. Fig. 1 im PeId des Trennmagneten des Massenspektrometers,

Fig. 8 und 9 Kurvendiagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gerätes nach Fig. 1,

Fig. 10 den im Gerät verwendeten Phasengleichrichter zur Erfassung des Hulldurchganges,

Fig. 11 die in Verbindung mit dem Phasengleichrichter nach Fig. 10 vorgesehene Triggerstufe zur Auslösung eines Steuermultivibrators für die Weiterschaltung,

Fig. 12 einen Ausschnitt aus der Relaiskette für

die Umschaltung des Vergleichswiderstandes,

Der in Abbildung 1 in einem Prinzipschema dargestellte Massenmarkierer für Massenspektrometer verwendet als Fühlerelement einen Hallgenerator. Ein 1kHz-Generator a liefert auf

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der Sekundärseite eines Trafos b die Spannungen U,., 1^. An einem Stufen-Vergleichswiderstand E wird eine Teilspannüng U von der Spannung U,. abgegriffen. Der Hallgenerator c, der im Spalt des Trennmagneten im Massenspektrometer liegt (vgl. Fig· 7)» erzeugt als Punktion der Magnetfeldstärke die Hallspannung U₁T. Die Differenz U -U_H wird an den Eingang eines Verstärkers d geschlossen. Ein Phasengleichrichter f im Ausgang des Verstärkers gibt eine positive Spannung, wenn die Differenz Uy-Ug negativ (Phase springt um) wird. Wegen der hohen Verstärkung tritt dies unmittelbar nach dem Nulldurch- · gang (U.y.-Ujj-O) ein (Abb. 2). Eine Triggerstufe g schaltet bei einer positiven Spannung ein Relais-Servosystem h weiter. Dadurch wird der Vergleichswiderstand S in die nächste Stellung gebracht und die Vergleichsspannung U^ erhöht, so daß U-Ug wieder einen positiven Wert annimmt. Bei wachsendem Wert Ujt wiederholt sich dieser Vorgang, so daß die Vergleichsspannung U einer Treppenkurve folgt (vgl. Fig. 2). Der Umschaltvorgang wird gleichzeitig von einer Markierfeder i auf einem Schreiber oder von eine» Registriergalvanometer auf einem Lichtpunktschreiber aufgezeichnet.

Die Abgriffe des Stufenwiderstandes R werden empirisch auf die gewünschteaMarkierungspunkte justiert. Vor der Aufnahme eines Spektrums wird ein Punkt (z. B. die MZ 201 an Quecksilber) mit Hilfe eines RegelwiderStandes R. einjustiert.

Kleine Schwankungen der Ionenbeschleunigungsspannung o. ä. können damit ausgeglichen werden.

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BAD ORlGWAL

Der Meßbereich erstreckt sich von MZ 20 bis 500, die zugehörigen Feldstärken betragen ca. 1700 bis 8500 Gauß. Zur Markierung wird auf dem Registrierstreifen k des Massenspektrums, wie Fig. 3 zeigt, eine Meanderkurve m aufgezeichnet, deren AufwärtsSprünge, z. B. bei den 10er-Werten und deren AbwärtsSprünge bei den 5er Massenzahlen liegen. Zwischen den 5er-Markier»agepunkten wird die Massenskala linear interpoliert. Die Massenwerte 100, 200, 300, 400 werden durch einen zweiten Strich nach dem Aufwärtssprung (mit verschiedenem Abstand je nach Größe) besonders gekennzeichnet (Abb. 3)* Bei Massenmarkierung mit Einersprüngen liegen die Aufwärtssprünge z. B. bei den geraden und die Abwärtssprünge bei den ungeraden Massenzah* len.

Der Vergleichswiderstand R besteht, wie Fig. 5 zeigt, aus zwei Teilen, und zwar aus einem Teil R. mit Grobstufen, die den Massenzahlen 20, 30 ... 100, 120, 140 ... 500 zugeordnet sind und einem Teil R-g mit den Feinstufen entsprechend den Massenzahldifferenzen 0,5» 10, 15· Die Abgriffe r^,, rp und r, werden durch in der Zeichnung nicht dargestellte Relais, die vom Servosystem h betätigt werden, an die Grob- und Feinstufen der Widerstände R. und Rg angeschlossen.

In dem Beispiel der Abb. 5 ist die Widerstandsstellung für

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den Augenblick dargestellt, in dem die Strahlablenkung des Massenspektrometer zwischen den Massenzahlen 94 und 95 war. Wenn am Ionenauffänger die Peakmitte der Massenzahl . MZ 95 erreicht wird, springt der Feinabgriff in die nächste Stellung um, und die Vergleichsspannung U_v erhöht sich um eine Stufe.

Abb. 6 zeigt den Aufbau und die Anordnung der Stufen des Teilers E. des Vergleichswiderstandes. Dieser Widerstand besteht aus meanderförmig aufgebauten Manganinstäben (TK: 10""V⁰C), die mit Gewinde versehen sind. Die Stufen entsprechend den Massenzahlen MZ 20, 30, 40 ... 90, 100, 120 ... 480, 5Ö0 werden durch Leitungsanschlüsse zu den Relais gebildet, die durch Muttern angeklemmt werden und dadurch (Justierbar sind.

Als Hallsonde wird eine Präzisionssonde mit kleinem Temperaturkoeffizienten der Hallspannung und kleinem Temperaturkoeffizienten des steuerseitigen Innenwiderstandes verwendet. Die Sonde ist, wie Fig. 7 veranschaulicht, in ein wasserdurchflossenes Gehäuse r eingesetzt. Die Wassertemperatur (ca. 50° 0) wird von einem Thermostaten auf + 0,1° 0 stabilisiert. Eine elektrische Thermostatierung wäre wegen des magnetischen Streufeldes einer evtl. Heizwicklung unzweckmäßig. Abb. 7 zeigt die Lage der Hallsonde

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c im Feld des Trennmagneten s mit dem Trennrohr t des Massenspektrometers. Die Sonde wird so weit in das Feld eingeschoben, daß kleine Lageänderungen keinen nennenswerten Einfluß haben.

Die Differenispannung ϋ_γ - Ug (Fig. 1) wird mit Hilfe des Verstärkers d etwa 400 000-fach verstärkt und gleichgerichtet. Es wird ein getasteter Phasengleichrichter f ohne Siebung verwendet*, um keine Einbußen an Meßgeschwindigkeit durch Siebmittel des Phasengleichrichters zu erleiden. Wenn die Generatorspannung Uo und die Verstärkerausgangsspannung Uy. so liegen, daß die positive Halbwelle in die Sperrphase fällt, dann besteht gemäß Abb. 8 die Ausgangsspannung aus negativen Halbwellen, und die folgende (Triggerstufe spricht nicht an. Umgekehrt ist es im Falle nach Abb. 9·

Wenn die Ausgangshalbwellen des Gleichrichters positiv sind, wird die in Abb.11 dargestellte Triggerstufe g ausgelöst. Dadurch wird der Steuermultivibrator h angestoßen und das Relais-Servosystem um einen Schritt weitergeschaltet. Durch ein Verzögerungsglied wird die Triggerstufe g während einer Zeit von etwa 0,05 sek. gesperrt. Erst nach Ablauf dieser Sperrzeit kann eine neue Weiterschaltung er-

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folgen. Diese Sperrung schützt das Relais-Servosystem vor Störimpulsen, die während der Weiterschaltung des Vergleichswiderstandes R entstehen können.

Jeder Stufe des Grobwiderstandes R^ und des Feinwiderstandes R-o ist ein Relais mit mehreren Kontakten zugeordnet. Diese Relais werden von einem Steuerrelais, das vom Trigger und Multivibrator betätigt wird, geschaltet. Durch Parallel-Dioden zu den Relaiswicklungen wird eine genügende Abfallverzögerung des vorhergehenden Relais erreicht, so daß ein Vorbereitungskontakt jedes Relais solange geschlossen bleibt, bis ein Selbsthaltekontakt einwandfrei geschlossen hat.

Bei Massenmarkierung mit Einerschritten besteht die Möglichkeit, einen Massendrucker anzuschließen. Die Abb. 12 zeigt einen Teil des Schemas einer Widerstandsmatrix (gezeichnet für Masseneinheit 284) zum digitalen Abgriff der Massenzahl. An die Anschlußklemmen können die entsprechenden Kanäle des Hewlett-Packard-Druckers ohne Zwischenglieder angeschlossen werden.

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Claims

§ 1 43Ö0J I ■ - 9 - PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Magnetfeldmessungi insbesondere zur Massenmarkierung in Massenspektrometer^ bei denen die Massentrennung durch Ablenkung in einem Magnetfeld und der Massendurchlauf durch Magnetfeldänderung herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung (U -Ujt) aus der Hallspannung (Ujt) eines im Spalt des Trennmagneten angeordneten Hallgenerators (c) und einer Vergleichsspannung (U ), die proportional ist dem Erregerstrom des Hallgenerators und von einem stufenförmig unterteilten Normalwiderstand abgenommen wird, gebildet und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes zur Umschaltung der Vergleichsspannung und Anzeige der Magnetfeldstärke bzw. der imassenzahl im Moment der Umschaltung benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Umschaltung und Anzeige beim Nulldurchgang (!3L-UtJ=O) der Differenzspannung erfolgt.

3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, insbesondere mit einem Massenschreiber mit Einrichtung zur Markierung der Massenskala in Abhängigkeit

.c 10

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BAD O&Q1NA1.

. - 10 -

von der Feldstärke im Spalt des Trennmagneten., dadurch gekennzeichnet, daß im Spalt des Trennmagneten (s) ein Hallgenerator (c) angeordnet und daß eine Einrichtung . zur Bildung der Differenzspannung (U_v-Ug) zwischen der Spannung (Ug) des Hallgenerators (c) und der an einem Stufenwiderstand (R ) gebildeten Vergleichsspannung (U) vorgesehen ist, die bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes mit Hilfe eines Eelais-Servosystems (h) den Stufenwiderstand (E) auf die folgende Stufe weiterschaltet und gleichzeitig den Massenmarkierer (i) oder ein sonstiges Anzeigesystem betätigt·

4·. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswiderstand aus Gewindestangen aus einem Widerstandsmaterial mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten und guter zeitlicher Konstanz,, z* B* Mänganin, mit durch Muttern verstellbaren Abgriffen besteht (^ig. 6)

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Konstanthaltung der Temperatur der Hallsonde (c) ein

Flüssigkeits-

W«ee«arumlauf mit Temperaturregelung vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung des Nulldurchganges (U -TJg=O) ein impulsgesteuerter Phasengleichrichter (f) ohne Siebmittel vorgesehen ist.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Stufung des Vergleichswiderstandes (R ) entsprechend Einer- Massenschritten ein Massensahlendrucker an die Relaisanordnung (h) zur Schaltung der Widerstandsstufen angeschlossen ist.

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