DE956450C - Massenspektrometer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AUSGEGEBEN AM 17. JANUAR 1957

DEUTSCHES PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 421 GRUPPE 3o9 INTERNAT. KLASSE G 01 η

N9791IX1421

Jan Bart Le Poole, Delft (Niederlande)

ist als Erfinder genannt worden

Nederlandse Centrale Organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek, Den Haag

Massenspektrometer

iPatentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 23. November 1954 an

Patentanmeldung bekanntgemacht am 19. Juli 1956

Patenterteilung bekanntgemacht am 27. Dezember 1966

Die Priorität der Anmeldung in den Niederlanden vom 25. November 1953 ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektrometer. Es ist bekannt, Atome verschiedener Masse durch Ablenkung in einem Magnetfeld zu trennen, wobei der Krümmungshalbmesser eines S geladenen Teilchens proportional der Quadratwurzel der Masse ist.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß man sehr starke Magnete anwenden muß, um eine gehörige Trennung zu erhalten, die selbstverständlich ίο eine große Erregerenergie erfordern. Wenn man

z. B. als Beschleunigungsspannung 25 kV wählt, ist bei einer Feldstärke von 5000 örsted der Ablenkhalbmesser für Wasserstoffkerne etwa 4 cm. Für schwere Teilchen mit einem Molekulargewicht von 200 beträgt der Ablenkhalbmesser dann 60 cm, was selbstverständlich nicht genügend klein ist. Sogar bei einer Feldstärke von 15 000 örsted hat der Ablenkhalbmesser einen Wert von 20 cm. Ein anderer Nachteil des üblichen Verfahrens ist, daß es praktisch unmöglich ist, die Beschleunigungs-

spannung mit einem Faktor von 200 zu ändern, was erforderlich ist, um die ganze Skala durchlaufen zu können.

Zweck der Erfindung ist, die genannten Nachteile zu beheben; sie bezieht sich auf ein Massenspektrometer, in dem die Teilchen mit elektrischen Feldern abgelenkt werden.

An sich sind schon einige Mittel zum Trennen der Ionen bekanntgeworden, und zwar:

i. Schickt man einen Strahl von Ionen gleicher kinetischer Energie durch ein Magnetfeld, so werden die Ionenbahnen für verschiedene Massen verschieden sein. Es hat sich aber erwiesen, daß für die Trennung der Ionen auf diese Weise große Magnete erforderlich sind.

2. Man kann auch eine Trennung erzielen, wenn man die Tatsache benutzt, daß verschieden schwere Ionen bei gleicher kinetischer Energie verschieden große Geschwindigkeit besitzen.

a). Wenn man nun die Beschleunigungsspannung mit der Zeit erhöht, werden die Ionen einander überholen, und zwar für verschiedene Massen nach einer verschiedenen Periode. Ein Auffangsystem, das durch das Anlegen pulsierender Spannung nur in einem beschränkten Zeitraum Ionen auffängt, •wird also nur von Ionen mit einer bestimmten Masse getroffen werden.

b) Statt durch Änderung der Beschleunigungsspannung kann die Trennung auch herbeigeführt werden durch 2 Ablenksysteme, an die dieselbe Wechselspannung angeschlossen ist. Die Ionen, welche beide Ablenksysteme durcheilen in dem Augenblick, wo die Wechselspannung Null ist, gehen geradeaus. .Sie müssen also den Abstand zwischen den Systemen in. einer ganzen Zahl von halben Perioden zurückgelegt haben, womit die Geschwindigkeit und also die Masse bekannt ist.

Der Nachteil dieser unter 2 a und 2 b erwähnten

Systeme ist, daß sie nur während eines kleinen Teiles der Zeit Ionen durchlassen.

3. Wenn man zwei elektrische Drehfelder verwendet, zwischen denen sich eine Linse befindet, welche die Ionen, die in dem ersten Drehfeld abgelenkt worden sind) in das zweite konzentriert,

« erhält man kontinuierlich durchgelassene Ionenr strahlen, deren endgültige Ablenkung der vektorischen Summe der Ablenkungen in jedem Feld gleich ist. Der Winkel zwischen den Vektoren wird bestimmt durch die Laufzeit der Ionen zwischen den beiden Feldern.

Bei dem erfmdungsgemäßen Massenspektrometer wird ein auf bekannte Weise erzeugter Ionenstrahl durch ein- elektrisches Ablenksystem geführt, in dem ein diesen Strahl ablenkendes, rotierendes, elektrisches Feld erzeugt wird, wonach dieser Strähl durch ein auf einem bestimmten Abstand vom Ablenksystem angeordnetes elektrostatisches Spiegelsystem reflektiert und in einem elektrischen Ablenksystem, in dem ein rotierendes, elektrisches

Feld erzeugt wird, fokussiert wird, welches Ablenksystem dem Ionenstrahl eine zweite Ablenkung gibt, wonach der Ionenstrahl auf einen Schirm trifft.

Das erfindungsgemäße Massenspektrometer bildet demnach eine weitere Entwicklung des unter 3. beschriebenen Systems. Durch die Ersetzung der Linse durch einen Ionenspiegel werden folgende Vorteile erzielt:

1. Durch die Reflexion genügt ein Ablenksystem.

2. Der Spiegel, der ja aus einem verzögernden Feld besteht, kann so konstruiert werden, daß die Laufzeit für Ionen mit derselben Masse, jedoch mit verschiedener Auffanggeschwindigkeit, annähernd doch dieselbe bleibt.

3. Die sphärische Aberration kann bei einem Spiegel für eine bestimmte Zone leichter korrigiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Der in beliebiger Weise erzeugte Ionenstrahl 1 geht durch eine enge öffnung 16 in einem Schirm 14 und danach durch das Ablenksystem 7, 8, 9, in dem ein rotierendes, elektrisches Feld erzeugt wird. Dieses System besteht aus zwei Ablenkelektrodenpaairen; ein Paar ist schematisch angegeben durch Kondensatorplatten 7 und 8, das andere durch Kondensatorplatte 9. Obgleich deutlichkeitshalber das Ablenksystem als ein Satz flacher Platten vorgestellt ist, ist es in Wirklichkeit erwünscht, den Elektroden eine derartige Form zu geben, daß das Feld im benutzten Gebiete homogen oder nahezu homogen ist. In dem von diesem Ablenksystem begrenzten Raum entsteht ein elektrisches. Drehfeld, wodurch der Ionenstrahl 1 gemäß der Linie 2 abgelenkt wird.

Der abgelenkte Strahl führt außerdem eine solche Bewegung im Raum aus, daß ein Kegelmantel beschrieben wird. Die Frequenz dieser Bewegung entspricht selbstverständlich der Frequenz des Drehfeldes. Der abgelenkte Strahl 2 kommt danach in das elektrische" Feld eines elektrostatischen Spiegelsystems, das aus einer elektrostatischen Linse 10, 11, 12 und einem dahinter angeordneten rotationsymmetrischen an einer Gleichspannung angeschlossenen Spiegel 13 besteht. Der Ionenstrahl 2 wird von der elektrostatischen Linse gemäß der Linie 3 gebrochen, dringt in das Feld des Spiegels 13 hinein und wird von diesem gemäß Linie 4 reflektiert. Wenn der Strahl aufs neue durch die Linse geht, wird der reflektierte Strahl 4 gemäß Linie 5 gebrochen und im Ablenksystem 7, 8, 9 fokussiert, wo er gemäß der Linie 6 abgelenkt wird. Der Ionenstrahl trifft danach auf den Schirm 14.

Die Zeit, welche ein Massenteilchen braucht, um den Weg 2, 3, 4, 5 zurückzulegen, ist von der Masse des Teilchens abhängig, so daß auch der Phasenwinkel zwischen dem auf dem Hin- und Rückweg durchlaufenen, rotierenden, elektrischen iao Feld für Massenteilchen verschiedener Masse verschieden sein wird. Infolgedessen werden solche Teilchen verschieden abgelenkt werden, so daß sie den Schirm 14 auf verschiedenen Stellen treffen werden. Diese Stellen werden durch konzentrische «5 Ringe gebildet, deren Durchmesser mit abnehmen-

der Ionenmasse zunimmt. Die absolute Größe der Mittellinien hängt nicht nur von der Teilchenmasse, sondern auch von ihrer Schnellheit sowie von der Stärke, der Frequenz und der Länge des Ablenkfeldes ab.

Es ist selbstverständlich möglich, andere Ausführungen der Erfindung anzuwenden als die oben beschriebene. So kann z. B. der Spiegel flach ausgeführt sein, wobei die Linse derart sein muß, daß der Ionenstrahl, nachdem er durch die Linse gegangen ist, senkrecht auf den Spiegel gerichtet ist.

Auch ist es möglich, statt eines. Ablenkungssystems zwei Ablenkungssysteme anzuwenden, wobei der im ersten Ablenkungssystem abgelenkte Ionenstrahl durch das elektrostatische Spiegelsystem im zweiten Ablenkungssystem fokussiert wird und danach auf einen hinter diesem befindlichen Schirm auftrifft.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß es ein elektrisches Ablenkungssystem enthält, in dem ein rotierendes, elektrisches Feld erzeugbar ist, das den durchgeführten. Ionenstrahl ablenkt, ein in Abstand hiervon angeordnetes elektrostatisches Spiegelsystem, das den abgelenkten Ionenstrahl reflektiert und in einem elektrischen Ablenkungssystem fokussiert, in dem ein rotierendes, elektrisches Feld erzeugbar ist, das dem Ionenstrahl eine zweite Ablenkung gibt, und das weiterhin einen Schirm zum Auffangen des Ionenstrahles aufweist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

   θ 609 550/371 7.56 (609 756 1.57)