DE1298738B

DE1298738B - Mass filter with increased selectivity and sensitivity

Info

Publication number: DE1298738B
Application number: DES85018A
Authority: DE
Inventors: Guenther; Dr Rer Nat Karl-Georg
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-05-02
Filing date: 1963-05-02
Publication date: 1969-07-03
Also published as: GB1024925A; CH427352A; US3280326A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenfilter; bestehend aus einem evakuierbaren Hohlraum, in welchem mehrere parallele, elektrisch leitende, mit einer Hochfrequenzquelle verbundene Analysator. Stäbe angeordnet sind, die im Bereich der Filterachsc zwischen den Stäben ein Hochfrequenzfeld zum Ausfiltern achsenparallel eintretender Ionen erzeugen, Das »Quadrupol«-Massenspektrometer (Massenfilter; deutsche Patentschrift 944 900) erreicht mit einem durch vier zylindrische Stäbe erzeugten Analysatorfeld eine Trennschärfe, deren Optimum bei den bisher entwickelten Partialdruck Vakuummetern vorgegebener Geometrie festliegt und erreicht worden ist.The invention relates to a mass filter; consisting of a evacuable cavity in which several parallel, electrically conductive, with a High frequency source connected analyzer. Rods are arranged in the area the filter axis between the rods a high-frequency field for filtering out parallel to the axis generate incoming ions, the »quadrupole« mass spectrometer (mass filter; German Patent Specification 944 900) achieved with one produced by four cylindrical rods Analyzer field a selectivity whose optimum at the partial pressure developed so far Vacuum gauges of a given geometry is fixed and has been achieved.

Die als »Monopol«-Spektrometer vorgeschlagene Anordnung benutzt praktisch einen Ausschnitt von einem Viertel der obengenannten Anordnung. Es wird nur ein einziger Feldstab verwendet, der zwei Winkelblechen gegenübersteht. Diese sind so orientiert, daß ihre Ebenen um 45° zu den durch die Achsen X bzw. Y der im Massenfilter vorgegebenen Ebenen verdreht sind. Hierdurch wird bei vorgegebener Feldlänge eine bessere Trennschärfe möglich. Es ist jedoch nachteilig, daß diese Anordnung an sich und vor allem der Ort des Ioneneinschusses unsymmetrisch sind.The arrangement proposed as a "monopole" spectrometer is used in practice a section of a quarter of the above arrangement. It will only be one only field staff used, which faces two angle plates. These are like that oriented that their planes at 45 ° to those through the axes X and Y respectively in the mass filter given levels are twisted. This results in a better selectivity possible. However, it is disadvantageous that this arrangement per se and, above all, the location of the ion injection are asymmetrical.

Damit ergibt sich eine ungünstige Raumausnutzung beim Einbau in ein übliches Spektrometerrohr, wenn man nicht die Ionenquelle selbst unsymmetrisch bauen will, was ebenfalls unvorteilhaft' sein kann. Darüber hinaus ist bei Abmessungen, die mit dem üblichen Massenfilter vergleichbar sind, die für den eingeschossenen Ionenstrahl ausnutzbare Fläche gering. Alle diese Gründe zusammengenommen führen zu einer vergleichsweise geringen Empfindlichkeit des sogenannten »Monopol«-Spektrometers.This results in an unfavorable use of space when installing in a Usual spectrometer tube, if you don't build the ion source asymmetrically wants, which can also be disadvantageous'. In addition, when it comes to dimensions, which are comparable with the usual mass filter, those for the shot Ion beam usable area low. All of these reasons taken together lead to it to a comparatively low sensitivity of the so-called "monopole" spectrometer.

Durch das erfindungsgemäße Massenfilter, welches sowohl Elemente der »Quadrupol«- als auch der »Monopol«-Massenfilter enthält, werden die oben geschilderten Nachteile überwunden. Das erfindungsgemäße Massenfilter zeichnet sich sowohl durch eine verbesserte Trennschärfe als auch durch eine gesteigerte Empfindlichkeit aus.By the mass filter according to the invention, which both elements of the "Quadrupole" - as well as the "Monopole" mass filter, are those described above Disadvantages overcome. The mass filter according to the invention is characterized by both an improved selectivity as well as an increased sensitivity.

Das Massenfilter nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Filterraum durch ebene, sich zwischen den Analysatorstäben über die Länge des Filters und von der Filterachse radial nach außen erstreckende, auf einem festen Potential liegende Elektroden in Sektoren geteilt ist und daß in jedem Sektor je ein Analysatorstab symmetrisch angeordnet ist. -Die Symmetrieebenen können einen rechten Winkel bilden. Es können vier Analysatorstäbe vorgesehen sein. An allen Analysatorstäben kann die gleiche aus einem Gleichspannungs- und Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannung liegen. Allen Analysatorstäben kann ein gemeinsamer Auffänger zugeordnet sein. Es kann aber auch jedem Analysatorstab ein getrennter Auffänger für die Ionen zugeordnet sein. Die Analysatorstäbe können verschiedene Durchmesser haben. Die Analysatorstäbe können verschiedenen Abstand ro von der Filterachse haben. Zur Messung verschiedener bestimmter Massen können die Abstände der Analysatorstabachsen von der Filterachse proportional dem Kehrwert. der Wurzel aus der Massenzahl sein (roi = c - m-1?). An den Analysatorstäben gleichen oder ungleichen Durchmessers können unterschiedliche aus einem Gleichspannungs- und einem Hochfrequenzanteil zusammengesetzte Spannungen der Form liegen. Die Erfindung wird an Hand mehrerer Figuren näher erläutert: F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch das schon bekannte Massenfilter nach der deutschen Patentschrift 944 900; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch das »Monopol«-Massenfilter; F i g. 2a zeigt eine mögliche Einbauart dieses Massenfilters (Stand der Technik); F i g. 3 gibt einen Querschnitt durch das neue Massenfilter gemäß der Erfindung; F i g. 4 stellt eine besondere Ausführungsform dieses Massenfilters dar; F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsfarm: Unter ebenen Elektroden wird hier und im folgenden verstanden: z. B. Bleche von beispielsweise etwa 0,1 bis 0,5 mm Dicke, dünne Geflechte aus beispielsweise Drähten von etwa 0,3 mm Durchmesser.The mass filter according to the invention is characterized in that the filter space is divided into sectors by flat electrodes which extend radially outward between the analyzer rods over the length of the filter and from the filter axis and are at a fixed potential Analyzer rod is arranged symmetrically. -The planes of symmetry can form a right angle. Four analyzer rods can be provided. The same voltage composed of a direct voltage and high frequency component can be applied to all analyzer rods lie. A common collector can be assigned to all analyzer rods. However, a separate collector for the ions can also be assigned to each analyzer rod. The analyzer rods can have different diameters. The analyzer rods can have different distances ro from the filter axis. To measure various specific masses, the distances between the analyzer rod axes and the filter axis can be proportional to the reciprocal value. be the square root of the mass number (roi = c - m-1?). Different voltages of the form composed of a direct voltage and a high frequency component can be applied to the analyzer rods of the same or different diameters lie. The invention is explained in more detail on the basis of several figures: F i g. 1 shows a cross section through the already known mass filter according to German patent specification 944 900; F i g. Figure 2 shows a cross section through the "monopole" mass filter; F i g. 2a shows a possible type of installation of this mass filter (prior art); F i g. Figure 3 gives a cross section through the new mass filter according to the invention; F i g. Figure 4 illustrates a particular embodiment of this mass filter; F i g. 5 shows a further embodiment: Here and in the following, flat electrodes are understood to mean: z. B. sheets of, for example, about 0.1 to 0.5 mm thick, thin braids of, for example, wires of about 0.3 mm in diameter.

In F i g. 1 ist im Schnitt "das bekannte Massenfilter nach der deutschen Patentschrift 944900 dargestellt. In einer Hülle 1 sind vier gleich große Analysatorstäbe 2 bis 5 symmetrisch ,angeordnet. Gegenüberliegende Stäbe sind paarweise mit einer Spannung der Form über isolierte Spannungsdurchführungen 6 und 7 versorgt. Mit X und Y sind die Richtungen der Hauptebenen angedeutet.In Fig. 1 shows in section "the known mass filter according to German patent specification 944900. Four analyzer rods 2 to 5 of the same size are arranged symmetrically in a sheath 1. Opposing rods are in pairs with a tension of the form Supplied via isolated voltage feedthroughs 6 and 7. The directions of the main planes are indicated by X and Y.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch das »Monopol«-Massenfilter schematisch. Es wird nur ein einzelner Analysatorstab 10 verwendet. Zu beiden Seiten befinden sich Bleche in paralleler Richtung, beispielsweise unter einem Winkel von 90°. In den Ebenen X' und Y' liegen die Bleche, die im Vergleich zu den um 45° rückwärts gedrehten Ebenen X und Y eingezeichnet sind. -Sowohl in F i g. 1 als auch in F i g. 2 ist ein kreisrunder Bereich des -Iöneneinschusses als Beispiel durch Schraffur ohne Umrandung angegeben durch 8 bzw. 13. Wie leicht ersichtlich, liegt dieser Bereich bei F i g. 2 exzentrisch zur Schnittlinie der beiden Bleche.F i g. 2 schematically shows a cross section through the “monopole” mass filter. Only a single analyzer rod 10 is used. There are metal sheets on both sides in a parallel direction, for example at an angle of 90 °. In the planes X 'and Y' are the metal sheets that are shown in comparison to the planes X and Y rotated backwards by 45 °. -Both in Fig. 1 as well as in FIG. 2 is a circular area of the ion insertion as an example by hatching without a border indicated by 8 or 13. As can be easily seen, this area is at FIG. 2 eccentric to the line of intersection of the two sheets.

F i g. 2a zeigt, daß beim Einbau der »Monopol«-Anordnung in ein übliches Spektrometerrohr die Raumausnutzung nicht günstig ist. Auch muß die Austrittsöffnung der Ionenquelle exzentrisch liegen, was baulich gewisse Schwierigkeiten macht.F i g. 2a shows that when the "monopole" arrangement is built into a conventional Spectrometer tube the space utilization is not favorable. The outlet must also be the ion source are eccentric, which creates certain structural difficulties.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel für ein verbessertes Massenfilter gemäß der Erfindung. Es sind hier vier Analysatorstäbe 31 bis 34 in einer Hülle 30 angeordnet. Die Hülle ist geerdet, durch die Spannungszuführung 35 wird allen vier Stäben durch eine Ringleitung 36 die gleiche Spannungsart und -große zugeführt. Die ebenen Elektroden in den Symmetrieebenen sind mit 37 und 38 bezeichnet, sie stehen in diesem Beispiel unter einem Winkel von 90°. Der Bereich des lonenstrahles ist gestrichelt ohne Umrandung -mit 39 angegeben. Durch die isolierte Zuführung 40 können an die Elektroden 37 und 38 Spannungen von -100 bis + 100 V angelegt werden. Die Hauptebenen sind mit X und Y bzw. mit X' und Y angegeben.F i g. 3 shows an example of an improved mass filter according to the invention. There are four analyzer rods 31 to 34 arranged in a sleeve 30 here. The sheath is earthed, the voltage supply 35 gives all four rods the same type and magnitude of voltage through a ring line 36 fed. The flat electrodes in the planes of symmetry are denoted by 37 and 38; in this example they are at an angle of 90 °. The area of the ion beam is indicated by dashed lines without a border -with 39. Through the insulated feed 40, voltages of -100 to + 100 V can be applied to the electrodes 37 and 38. The main planes are indicated with X and Y or with X ' and Y.

Mit dieser Anordnung nach F i g. 3 werden folgende Vorteile erreicht: a) Die Anordnung ist vollkommen symmetrisch. b) Für den Ioneneinschuß steht die gesamte schraffierte Fläche zur Verfügung, die etwa dem Vierfachen der vergleichbaren Fläche des »Mono-. pol«-Spektrometers entspricht. Damit ist eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet.With this arrangement according to FIG. 3 the following advantages are achieved: a) The arrangement is completely symmetrical. b) stands for ion injection total hatched area available, which is about four times the comparable Area of the »mono-. pol «spectrometer. This is a high sensitivity guaranteed.

c) Die Feldstäbe liegen alle an gleicher Spannung, so daß ein vereinfachter mechanischer Aufbau und auch ein vereinfachter Hochfrequenzgenerator möglich wird.c) The field bars are all at the same voltage, so that a simplified mechanical structure and also a simplified high frequency generator is possible.

d) Die Trennschärfe entspricht unter Vermeidung der obengenannten Nachteile derjenigen des »Monopol«Spektrometers.d) The selectivity corresponds to the above, avoiding the above Disadvantages of those of the "monopole" spectrometer.

In manchen Fällen ist es erforderlich oder erwünscht, mit dem Massenfilter zwei oder mehrere verschiedene Gasarten gleichzeitig zu messen oder zu registrieren. Das ist mit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung leicht möglich: Hierzu werden die vier (oder mehr) Analysatorstäbe mit untereinander unterschiedlichem Durchmesser und Abständen von der Systemachse ausgelegt, und zwar derart, daß bei gleicher und unveränderter Spannung an beispielsweise vier verschiedenen Quadranten vier verschiedene Massen gemäß m = const/rö ausgefiltert werden. Am Ausgang des Analysators sind entsprechend viele Auffänger angebracht, die einen getrennten Nachweis bzw. eine getrennte Anzeige der verschiedenen Massen ermöglichen. In F i g. 4 ist mit 41 das Gehäuse einer solchen Anordnung bezeichnet; 42, 43, 44 und 45 sind vier Analysatorstäbe mit verschiedenen Durchmessern und verschiedenen Abständen ro von der Systemachse, diese Abstände können entsprechend der Formel mx = const/rö x gewählt werden. Mit 46 ist eine Ringleitung bezeichnet, an der die Analysatorspannung liegt. Die in diesem Beispiel unter 90° angeordneten ebenen Elektroden tragen die Bezugszeichen 47 und 48. Der symmetrisch liegende Einschußbereich ist angedeutet. Zur Spannungszuführung sind fünf Durchführungen eingezeichnet: 42 a, 43a, 44a, 45a und 49. Weiterhin ist es möglich, an Stelle von vier Analysatorstäben eine beliebige Anzahl von Stäben vorzusehen, dann sind die in entsprechender Weise zugeordneten ebenen Elektroden im allgemeinen schiefwinkelig zueinander dazwischen angeordnet.In some cases it is necessary or desirable to measure or register two or more different types of gas simultaneously with the mass filter. This is easily possible with the arrangement according to the present invention: For this purpose, the four (or more) analyzer rods are designed with mutually different diameters and distances from the system axis in such a way that with the same and unchanged voltage at four different quadrants, for example, four different masses can be filtered out according to m = const / rö. At the output of the analyzer, a corresponding number of interceptors are attached, which enable separate detection or separate display of the various masses. In Fig. 4, 41 designates the housing of such an arrangement; 42, 43, 44 and 45 are four analyzer rods with different diameters and different distances ro from the system axis; these distances can be selected according to the formula mx = const / rö x . With a ring line 46 is referred to, on which the analyzer voltage lies. The planar electrodes arranged at 90 ° in this example have the reference numerals 47 and 48. The symmetrically located injection area is indicated. Five feedthroughs are shown for supplying voltage: 42 a, 43 a, 44a, 45a and 49. It is also possible to use any number of rods instead of four analyzer rods, in which case the correspondingly assigned flat electrodes are generally at an oblique angle between them arranged.

In F i g. 5 ist beispielsweise eine solche Anordnung dargestellt. Das Gehäuse ist mit 51 bezeichnet; die acht Analysatorstäbe 52, in diesem Beispiel gleichen Durchmessers, liegen symmetrisch zu den Blechen 53. Der symmetrisch liegende Einschußbereich ist auch hier wieder schraffiert angedeutet. Mit 54 und 55 sind Durchführungen bezeichnet.In Fig. For example, such an arrangement is shown in FIG. The housing is denoted by 51; the eight analyzer rods 52, in this example of the same diameter, lie symmetrically to the metal sheets 53. The symmetrically lying bullet area is again indicated here by hatching. With 54 and 55 bushings are designated.

Diese Ausführung kann auch mit Analysatorstäben verschiedener Durchmesser und verschiedener Abstände von der Systemachse sowie ungleichmäßigen Winkelbereichen der Bleche durchgebildet werden.This version can also be used with analyzer rods of different diameters and different distances from the system axis as well as uneven angular ranges the sheets are formed through.

Hiermit sind weitere Möglichkeiten zur verbesserten Raumausnutzung bzw. für den gleichzeitigen Nachweis einer größeren Zahl verschiedener Massen gegeben.This gives you further options for improved use of space or for the simultaneous detection of a larger number of different masses.

Claims

Claims: 1. Mass filter, consisting of an evacuable cavity in which several parallel, electrically conductive analyzer rods connected to a high-frequency source are arranged, which generate a high-frequency field in the area of the filter axis between the rods for filtering out axially entering ions, characterized in that the filter chamber by flat electrodes (37, 38, 47, 48, 53) at a fixed potential, extending between the analyzer rods (31 to 34, 42 to 45, 52) over the length of the filter and radially outward from the filter axis Sectors is divided and that an analyzer rod is arranged symmetrically in each sector. .

2. Mass filter according to claim 1, characterized in that the fixed potential is between -100 and + 100V.

3. mass filter according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the planes of symmetry form a right angle.

4. Mass filter according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that four analyzer rods are provided.

5. mass filter according to one of the preceding claims, characterized marked that on all analyzer rods the same from a DC voltage and a voltage composed of a high frequency component.

6. Mass filter after one of the preceding claims, characterized in that the analyzer rods have different diameters.

7. mass filter according to one of the preceding claims, characterized in that the analyzer rods have a different distance ro from the Have filter axis. B.

Mass filter according to claim 7, characterized in that the distances between the analyzer rod axes to measure various specific masses of the filter axis are proportional to the reciprocal of the square root of the mass number.

9. Mass filter according to one of the preceding claims, characterized in that that on analyzer rods of the same or unequal diameter different compensate a DC voltage - and a high frequency component There are tensions.

10. mass filter according to claim 9, characterized in that a separate ion collector is assigned to each analyzer rod.