DE1673249A1 - Einstellvorrichtung fuer Magnetfelder mit einem induktiven Spannungsteiler sowie damit ausgestattetes Spektrometer - Google Patents

Description

Patentanwalt

or.clausrssj&ander

DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT V1 .P105-D

8OO0 MÖNCHEN 23 · MAINZERSTR.S

TARIAN ASSOCIATES
Palo Alto, California, TJSA

Einstellvorrichtung für Magnetfelder mit einem induktiven Spannungsteiler sowie damit ausgestattetes Spektrometer

Priorität: 18. Februar I966 - Vereinigte Staaten von Amerika Ser.Ko. 528,650

Die Erfindung "betrifft allgemein Einstellvorrichtungen für Magnetfei-

der, und insbesondere eine verbesserte Einstellvorrichtung für Magnetfelder mit besonders großem linearen dynamischen Einstellbereich, der durch die Verwendung variabler induktiver Elemente erreicht wird, und Massenspektrometer, in denen eine solche Einstellvorrichtung verwendet wird. Eine solche verbesserte Magnetfeld-Einstelleinrichtung ist besonders, wenn auch nicht ausschließlich, brauchbar zur Einstellung des Feldes eines magnetischen Massenspektrometer, wobei die Ausgangsspektren des Massenspektrometer leicht kalibriert werden können, um die Spektralanalyse und die Interpretation des Spektrums zu erleichtern.

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Magnetfeld-Einstellvorrichtungen sind bereits gebaut worden, bei denen ein einstellbares Potentiometer dafür verwendet wurde, eine einstellbare Bezugsspannung zu liefern, mit der die Primäreinstellung des Magnetfeldes festgelegt wurde (ein variabler, auswählbarer Feldwert, um den herum oder von dem ausgehend eine kleinere oder Sekundär-Einstellung benutzt wird). Dieses Primär-Bezugssignal, üblicherweise eine Bezugsspannung, konnte mit einer Bedienungspult-Skaleneinstellung, die mechanisch mit dem Bezugspotentiometer verbunden war, auf irgendeinen Wert innerhalb eines breiten Wertbereiches gewählt werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß selbst die genauesten Potentiometer in breiten dynamischen Bereichen nicht die erforderliche Linearität zeigen, so daß der primäre Feldwert, der mit der kalibrierten Skala am Bedienungspult ausgewählt wurde, oft erheblich von den tatsächlich dadurch erhaltenen Feldbedingungen abweicht. Diese Abweichungen von der Linearität komplizieren die Kalibrierung der Spektren» die von Geräten erhalten werden, bei denen das eingestellte Feld verwendet wird, beispielsweise bei zykloiden Massenspektrometern oder Kernresonanz-Spektrometern.

Erfindungsgemäß wird das Primär-Bezugssignal, das die nominellen Feldwerte bestimmt, von denen aus das Feld anschließend eingestellt wird, von einem einstellbaren Präzisions-Transformator geliefert, so daß die Linearität der primären Magnetfeldeinstellung erheblich gegenüber Einstellungen verbessert wird, die in der bisher üblichen Weise durch Präzisions-Potentiometer gebildet wurden» Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die kleinere oder Sekundär-Einsteilspannung, die

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die eingestellten Feldwerte festlegt, die vom Nennwert des Feldes, der durch den ersten Transformator eingestellt wird, abweichen, von einem zweiten einstellbaren Transformator abgeleitet, so daß die Linearität der Sekundärfeldeinstellung weiter verbessert wird.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Magnetfeld-Einstelleinrichtung verfügbar zu machen, die eine bessere Linearität hat, und eine solche Einstelleinrichtung in Verbindung mit Massenspektrometern zu verwenden, wodurch die Kalibrierung und die Interpretation ihrer Massenspektren-Signale erleichtert werden.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine einstellbare induktive Einrichtung, insbesondere ein induktiver Spannungsteiler, dazu verwendet wird, ein einstellbares Signal zu bilden, das in einem breiten dynamischen Bereich linear ist, und das in einem Magneteinstellsystem verwendet wird, um eine Magneteinstellung mit besserer Linearität zu erhalten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird dieses Ausgangssignal in diskreten schrittartigen Werten erhalten, die eine präzis vorbestimmte Linearität innerhalb eines erheblichen dynamischen Variationsbereiches des Ausgangssignals haben·

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die variable induktive Einrichtung in einem Feldeinstellsystem mit geschlossenem Kreis verwendet, um diskrete Werte des magnetischen Feldes entsprechend der gewählten Ausgangsspannung zu bilden.

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Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite einstellbare induktive Einrichtung vorgesehen, um ein zweites Einstellsignal zu bilden, mit dem das Magnetfeld in kleineren Schritten um den Feldwert verändert werden kann, der durch die erste induktive Einrichtung festgelegt ist_f

Gemäß einer speziellen Ausbildungsform der Erfindung wird die Magneteinstelleinrichtung in Kombination mit einem zykloiden Massenspektrometer verwendet, bei dem das Quadrat der Feldstärke des magnetischen Fokussierfeldes in linearer Weise mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldeinstelleinrichtung eingestellt wird, so daß die Kalibrierung und die Interpretation der Spektralsignale des Spektrometers erleichtert sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung} es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Magnetfeld-Einstelleinrichtung mit Merkmalen der Erfindung}

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1 mit geschlossenem Kreis;

Figuren 5 ^und 4 Blockschaltbilder anderer Schaltungen mit geschlossener Schleife mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 5 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild der Schaltung nach Fig. 2;
Fig. 6 ein Fig. 5 entsprechendes Schaltbild der Schaltung nach Fig. 3;und

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Pig. 7 d-ie Abhängigkeit der am Ausgang angezeigten Atom-Massen-Einheiten von den eingestellten Atom-Massen-Einheiten für die Kombination eines Massenspektrometer mit einer FeIdeinsteileinrichtung zur Darstellung der Spektren-Kalibriermethodeβ

In Fig. 1 ist ein System zum Einstellen eines Magneten von einem Elektromagneten 1 mit offener Schleife dargestellt. Kurz, besteht dieses System aus einer Magnet-Stromversorgung 2, die Strom an den Magneten 1 über eine in Reihe geschaltete Feldkontrolle 3 liefert, die den Strom von der Stromversorgung 2 zum Magneten 1 regelt.

Eine Primär-Feldeinstellung 4 liefert ein erstes Bezugssignal, das vorzugsweise als lineare Verteilung diskreter vorbestimmter stufenweise ansteigender Werte entsprechend gewissen vorgewählten Magnetfeldwerten entspricht, und zwar entsprechend einer linearen Verteilung, die einen breiten Bereich Feldwerte erfaßt. Eine sekundäre Feldeinstellung 5 liefert ein sekundäres, variables Bezugssignal, das kontinuierlich oder diskret sein kann, und wenn es zum Primärsignal addiert wird, entspricht es einer linearen Verteilung von Ausgangsspannungen entsprechend einem Bereich von Ausgangswerten zwischen den diskreten Werten des Primäreignales.

Die Primärfeld-Einstellspannung wird algebraisch zur Sekundärfeld-Einstellspannung in einem Fehlerdetektor 6 addiert, so daß ein Einstelloder Fehler-Ausgangssignal £ geliefert wird, das in einem Verstärker

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verstärkt und an den Eingang der Feldkontrolle 3 geliefert wird, um zu veranlassen, daß das Magnetfeld den Wert annimmt, der durch das Abweichungssignal S- festgelegt i^st.

Bei dem Feldeinstellsystem nach Fig. 1 hängt die Linearität der tatsächlich erreichten Feldeinstellung von der Linearität des Magneten 1, der Feldkontrolle 3, dem Verstärker 7 und dem Primär-Feld-Einstellsignal ab. Für große dynamische Einstellbereiche stellen der Magnet 1 und die Feldkontrolle 3 <ü^e begrenzenden Faktoren dar. In den meisten Fällen der Praxis würde die verbesserte Feldeinstellvorrichtung nach der Erfindung sich nicht für ein System mit offener Schleife der in Figo 1 dargestellten Art empfehlen. Wenn jedoch in einem solchen System die Linearität des Signals von der Primär-Feld-Einsteilung 4'wichtig würde, würde auch die verbesserte einstellbare induktive Einrichtung, die noch eingehender beschrieben wird, dazu nützlich sein, das einstellbare lineare Einstellsignal zu bilden.

In Fig. 2 ist ein Magnetfeld-Einstellsystem mit geschlossener Schleife dargestellt. Im System und im übrigen Teil der Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren verwendet. Das System nach Fig. 2 ist ähnlich dem nach Fig. 1 aufgebaut, nur daß eine Feldmeßeinrichtung 8, beispielsweise ein Halleffekt-Halbleiter, im eingestellten Feld angeordnet ist, um eine Ausgangsspannung proportional der Magnetfeldstärke H zu erhalten. Dieses Ausgangssignal wird über die Rückführschleife 9 (oder Rückmeldeschleife) an den Fehler-

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detektor 6 in der Weise geliefert, daß die Summe der Ausgangsspannungen von den Primär- und Sekundär-Feldeinstellungen 4 bzw. 5 auskompensiert wird.

Jedes Ungleichgewicht im Ausgang des Fehlerdetektors 6 liefert ein Abweichungssignal ^. oder Fehlersignal, welches dafür sorgt, daß die Feldkontrolle 3 im Magneten ein Feld hervorruft, das dazu ausreicht, die Servpschleife in einen Zustand zurückzuführen, wie er durch die kombinierten Ausgangsspannungen der Primär- und Sekundär-Einstellungen 4 und vorgeschrieben ist.

Das System nach Fig. 2 mit geschlossener Schleife hat eine erheblich größere Linearität als das nach Fig. 1, weil "bei der geschlossenen Schleife die Nicht-Linearitäten des Magneten 1, der Feldkontrolle 3, der Magnetstromversorgung 2 und des Verstärkers 7 ausgeschaltet sind. Die begrenzenden Faktoren sind jetzt die Linearität der Feldeinstellsignale, insbesondere die Linearität der Primär-Feldeinsteilung 4s ¹¹^d die Linearität der Feldmeßeinrichtung 8. Mit guter Kompensation kann die Feldmeßeinrichtung dazu gebracht werden, sehr gut linear zu arbeiten.

Letztlich hängt also das Betriebsverhalten des Systems stark von der Linearität des Primärfeld-Einstellsignals ab, das erfindungsgemäß durch die Verwendung einer variablen Induktivität in der näher in Verbindung mit Figuren 4 'und 5 beschrieben Weise sehr gut linear gemacht werden kann.

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Das Magnetfeld-Einstellsystem wird typischerweise mit einem Gerät 11 zur Verwertung des Feldes verwendet, "beispielsweise einem Spektrometer, dessen Ausgangsspannung vom Magnetfeld abhängt. Solche Spektrometer sind beispielsweise Spektrometer für gyromagnetische Resonanz und Massenspektrometer. Die Ausgangsspannung des Feldverbrauchers wird üblicherweise in einem Schreiber 12 in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit vom Feldeinstellsignal aufgezeichnet, das von der Sekundär-Feldeinstellung 5 geliefert wird.

In Fig. 3 ist ein anderes Magneteinstellsystem mit geschlossener Schleife dargestellt, bei dem das Quadrat der magnetischen Feldstärke mit einem hohen Grad der Linearität eingestellt wird. In diesem Falle ist die Magnetfeld-Meßeinrichtung ein quadratisch arbeitender Wandler 13, der eine lineare Ausgangsspannung proportinal dem Quadrat der Stärke des Magnetfeldes liefert, in das sie eingetaucht ist. Ein solcher Wandler besteht aus zwei Halleffekt-Sonden, wobei die Ausgangsspannung der ersten Sonde als Stromeingang zur zweiten geführt wird. Die Ausgangsspannung der zweiten Sonde hängt dann linear vom Quadrat der Magnetfeldstärke ab.

Die quadratische Feldeinstelleinrichtung nach Fig. 3 ist besonders brauchbar in Kombination mit Feldverbrauchern 11, deren aufzuzeichnende Ausgangsspannung proportional der zweiten Potenz des Magnetfeldes ist. Beispiele solcher Feldverbraucher sind Massenspektrometer vom Zykloid-Typ, wie sie in der U.S.-Patentschrift 2,221,407 beschrieben sind, und

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Massenspektrometer mit magnetischer Ablenkung durch einfache Fokussierung. Solche linearen Einstellungen der zweiten Potenz ermöglichen es, die Ausgangsspannung von Massenspektrometer! auf einer linearen Skala von Masseneinheiten für die zu untersuchenden Substanzen aufzutragen, wodurch die Kalibrierung, Analyse und Interpretation der aufgezeichneten Spektrensignale erheblich erleichtert wird.

In Fig. 4 ι³"*⁵ eine andere Ausführungsform als in Fig. 3 für ein Magnetfeld-Einstellsystem dargestellt, mit dem lineare Aufzeichnungen von Ausgangssignalen von Feldverbrauchern 11 erhalten werden können, die proportional zur zweiten Potenz des Magnetfeldes sich ändern. Bei diesem System wird ein Feldeinstellsystem nach Fig. 2 erster Ordnung mit einem quadratisch arbeitenden Wandler verwendet, bei dem die Ausgangsspannung der Wandlerstufe erster Ordnung als Ausgang der Feldmeßeinrichtung 8 erster Ordnung verwendet werden kann.

Die Ausgangsspannung des Wandlers 13 zweiter Ordnung wird dem Schreiber 12 als Einstell-Eingang zugeführt, so daß die mit der zweiten Potenz vom Feld abhängige Ausgangsspannung des Feldverbrauchers 11 in Abhängigkeit vom quadratischen Ausgang des Magnetfeldwandlers aufgezeichnet werden kann, so daß eine Aufzeichnung gewonnen wird, die in Ausgangseinheiten des Feldverbrauchers 11 linear ist, beispielsweise einem zykloidischen Massenspektrometer.

In Fig. 5 ist die Schaltung nach Fig. 2 mit näheren Einzelheiten dargestellt. Sin Tonfrequenzgenerator 21 mit konstantem Strom liefert Strom

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mit einer Frequenz von 1290 Hz an eine Serienschaltung von Spannungsteilerwiderständen 22 und 23 und einen Halleffekt-Halbleiter-Lristall 24, Die Ausgangsspannung des Hail-Kristails 24 über den Anschlüssen 25 und 26 ist proportional der Stärke H des Magnetfeldes, in das der Kristall 24 eintaucht. Die Lage des Hall-Kristalls ist durch den unterbrochenen Kreis und die Linie zum Magneten 1 angedeutet. Dort dient die Hall-Ausgangsspannung als Maß für die Magnetfeldstärke.

Die Hall-Spannung wird einer Reihenschaltung zugeführt, die den Abweichungsdetektor 6 bildet, und zwar über einen Trenntransformator 27· Der Transformator 27 hat eine abgestimmte Primärwicklung, um für den Hall-Kristall 24 eine hohe Impedanz darzustellen und weist parallel dazu einen Kompensierwiderstand 20 auf.

Die Primär-Einstell-Bezugsspannung wird über einem v/iderstand 23, einem Präzisionswiderstand von OPl Promille mit niedrigem Temperaturkoeffizienten von beispielsweise 10 Ohm zugeführt, und von dort einem einstellbaren, induktiven Spannungsteiler 28, beispielsweise einem Dekadentransformator Modell DT-47 der Electro Scientific Industries of Portland, Oregon. Der Dekadentransformator 28 hat eine extrem hohe Einga.n^jsinduktivität von 100 - 300 Henry bei 129o Hz und weist vier angezapfte Präzisionswicklungen 29» 30, 31 und 32 auf, die auf einen Toroilkern gewickelt 3ind.

Der erste Satz Wicklungen enthält 9 in Reihe geschaltete, an den Enden angezapfte Spulensegmente. Jedes Spulensegment weist η Windungen auf,

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wobei η beisjieisweise den Wert 100 hat.Der zweite Satz Windungen 30 enthält 11 in Reihe geschaltete und an den Enden angezapfte Spulen-Segmente von je n/10 Windungen. Der dritte Satz Wicklungen 31 weist 9 in Reihe geschaltete, an den Enden angezapfte Spulensegmente von je n/100 Windungen auf. Der vierte Satz Wicklungen 32 besteht lediglich aus einem einsigen Spulensegment von n/100-Windungen, das über einem Potentiometer liegt, so daß der Abgriff jede beliebige Spannung abgreifen kann, die über der letzten Wicklung 32 steht.

Die Anzapfungen der verschiedenen Wicklungen sind an die Kontakte von drei Stufenscheltern 33» 34» 35 geführt, die jeweils von einer getrennten Skala 361 37 bs.w. 38 ^aus kontrolliert werden, die auf das Bedienungspult der Prinrr-Feld-Einstellung 4 montiert sind. Die verschiedenen Wicklungen sind an die Stufenschalter derart angeschlossen, daß bei Skaleneinstellung 0 aller Skalen die Schalter alle an den gleichen Enden mit den benachbarten Wicklungen verbunden sind, so daß von keiner der Wicklungen Spannung abgegriffen wird. Zwischeneinstellungen der Schalter sorgen dafür, daß die von jeder Wicklung abgegriffene Spannung in Reihe zu der Spannung addiert wird, die von der benachbarten Wicklung abgegriffen wird. Wegen des Paktors 10 beim Unterschied der Windungszahlen der Spulensegmente in benachbarten Wicklungen wird auch der gleiche Faktor 10 in den abgegriffenen Spannungen erhalten. Ein

wichtiges Merkmal dieses Transformators liegt darin, daß die zweite Dekadenwicklung 30 elf angezapfte Spulensegmente aufweist, und dadurch

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ist es möglich, eine Überlappung in der genauen Spannungsteilung zwischen der zweiten und der ersten Dekade herzustellen, ohne daß alle Wicklungen der ersten Dekade mit der Präzision der zweiten Dekade gewickelt sein müssen. Es kann somit nur ein Dezimal-Bruchteil von 0,1 fo bis 100 ^ der gesamten möglichen Ausgangsspannung, die durch den Reihenwiderstand 23 festgelegt ist, durch die Skalen 36, 37» 38 und 39 ausgewählt werden; die letztere Skala kontrolliert die Potentiometereinstellung über dem Ausgang der letzten Wicklung 32. Diese variable ausgewählte Spannung, die in diskreten Stufenwerten hoher Präzision erhalten wird, wird im Fehlerdetektorzweig 6 in Reihe der Hall-Spannung entgegengeschaltet, um die variabel auswählbaren, diskreten Magnetfeldstärkewerte festzulegen, die in den Primär-Einstellbereich entsprechend der Einstellung der Skalen fallen. Im vorliegenden Beispiel können die Skalen 36 - 39 direkt in Gauss kalibriert werden, und wenn sie in Verbindung mit einem kräftigen Elektromagneten verwendet werden, können sie dazu verwendet werden, irgendeinen Feldwert zwischen 10 Gauss und 10.000 Gauss in Einheitsschritten von 10 Gauss einzustellen.

Die Linearität der Ausgangsspannungen der verschiedenen Wicklungen für einen typischen Dekadentransformator beträgt - 0,01 °/oo zwischen Stellungen auf der ersten Wicklung 29 und ΐ 0,002 °/oo zwischen Abgriffen auf den Wicklungen 30 und 3I· Die Linearität des Primärfeld-EinstellsignalB beträgt also in einem dynamischen Bereich von 1 °/o - 0,02 °/oo und in einem dynamischen Bereich von 0,1 '/Ό ί 0,002 °/oo.

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Die Sekundär-Einstellspannung wird über Widerstand 22 gebildet und weiter durch die Widerstände 41 und 42 geteilt und der Ausgangs-Bruchteil über dem Widerstand 42 wird in den Fehlerdetektar-Reihenzweig 6 über einen Trenntransformator 43 eingespeist, der ein variables Potentiometer in Seihe mit dem Fehlerzweig 6 speist. Die Isolier-Einstellspannung vom Potentiometer 44 wird variabel, beispielsweise mit einer Drehwelle 45 && Ausgang des Sekundär-Einstellspannungs-Generators 46 kontrolliert. Die Sekundäreinstellung 5 überstreicht das Magnetfeld in den Bereichen zwischen benachbarten Primär-Einsteilwerten.

Die Ausgangsspannung des Fehlerdetektorzweiges 6 wird dem Eingang eines Operationsverstärkers 47 niit hoher Eingangsimpedanz, beispielsweise einem Philbrick-Verstärker, zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers wird einer Eingangsklemme eines phasenempfindlichen Detektors 4S zugeführt, in dem sie mit der Phasenlage eines Signals vom Tongenerator 21 verglichen wird, um ein Gleichspannungs-Ausgangssignal zu bilden, das einem Verstärker 7 zugeführt wird und der übrige Teil des Systems ist wie bereits in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben ausgebildet.

In Fig* 6 ist eine mehr ins einzelne gehende Schaltung für das quadratische ieldeinstellsystem nach Fig. 3 dargestellt. Die Schaltung ist ähnlich der nach Fig. 5» nur daß die Ausgangsspannung der ersten Hall-Sonde 24 über einen Trenntransformator einem Operationsverstärker 47 zugeführt wird, der die erste Hall-Spannung in einen der ersten HaIlspannung proportionalen Strom umwandelt« Der Ausgang des Verstärkers 47

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ist mit dem Stromeingang einer zweiten Hall-Sonde 51 über den Transformator 52 verbunden. Die Ausgangsspannung der zweiten Hall-Sonde, die proportional der zweiten Potenz der Stärke des Magnetfeldes ist, in das sie eingetaucht ist, wird im Reihenfehlerzweig 6 der Primär-Einstellspannung von der variablen induktiven Einrichtung 28 entgegengeschaltet.

Die Sekundär-Einstellspannung kann in der gleichen Weise gebildet werden wie in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben, oder stattdessen wie in Fig. dargestellt, es kann ein genauer einstellbares induktives Element verwendet werden. In diesem Falle wird die Sekundär-Einstellspannung über dem Reihenwiderstand 22, die durch die Widerstände 41 und 42 weiter unterteilt wird, dem Eingang eines zweistufigen Dekadentransformators 52 ähnlich dem in Verbindung mit Fig. 5 bereits beschriebenen Element 28 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Transformators wird in Reihe in den Fehlerzweig 6 eingeführt, so daß sie der Ausgangsspannung von der Primär-Feld-Einstellung addiert wird, um Einstellungen zwischen Primär-Feldwerten einzustellen. Der Stufenschalter des Eämndär-Einstell-Dekadentransformators 52 wird zweckmäßigerweise in diskreten Drehschritten von einem Schrittmotor im Sekundärfeld-Einstellgenerator 46 angetrieben. Der gleiche Schrittmotor kann zweckmäßigerweise dazu verwendet werden, die Einstellung des Schreibers 12 anzutreiben, so daß eine lineare Ablesung in Masseneinheiten auf dem Schreiber bei einem zykloidischen Massenspektrometer als Feldverbraucher 11 erreicht wird.

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Die Ausgangsspannung des Fehlerdetektorzweiges 6 wird dem Eingang eines Verstärkers 55 zugeführt, dessen Ausgangsspannung mit dem Phasendetektor 48 so verbunden ist, daß die zweite Potenz des Magnetfeldes der linearen Einstellspannung der primären und sekundären Feldeinstellungen 4 bzw. 5 in der gleichen Weise wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben folgt.

Das System nach Figuren 5 uncl 6 ist besonders günstig zur Aufzeichnung des Massenspektrums in einem zykloidischen Massenspektrometer oder einem anderen magnetischen Massenspektrometer, dessen Massenausgangssignal linear in Masseneinheiten als Funktion der zweiten Potenz des Magnetfeldes vorliegt. Insbesondere erleichtert die extreme Linearität, besonders der Primär-Feld-Einstellung, die Kalibrierung und Analyse des Massenspektrums erheblich. Beispielsweise können die Bedienungspult-Skaleneinstellungen der Primärfeldeinstellung direkt in Atommassen-Einheiten kalibriert werden. Die Linearität des Systems ist so groß, daß diese Skaleneinteilungen auf 0,2 fs genau sind. Eine bessere Genauigkeit wird durch Massenkalibriermr der Skalen erreicht.

Die Kalibrierung ist leicht in Verbindung mit Fig. 7 zu erläutern, wo die AusgangsSpannung in Atommassen-Einheiten des Spektrometers 11 in Abhängigkeit von den Skaleneinstellungen für einen bestimmten Teil des gesamten dynamischen Einstellbereiches aufgetragen sind. Ersichtlich ist die theoretische Kurve für die Ausgangswerte in Abhängigkeit von den Eingangseinstellungen linear. Eine erste, Grobkalibrierung mit einem Bezugspunkt wird dadurch erreicht, daß eine bestimmte bekannte Masse einer Be-

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zugssubstanz auf den Skalen eingestellt wird; diese Bezugsmasse soll in der Nähe des Bereiches liegen, über den die Kalibrierung erwünscht ist. Diese Bezugssubstanz wird dann in das Gerät eingegeben, und die Masse als Bezugspunkt Ux. 1 aufgezeichnet. Die Abweichung, in Atommassen-Einheiten, der Spektrumlinie vom eingestellten Wert für diese Substanz ist die Korrektur, in Massen-Einheiten, die an die Massen-Einheiten angebracht (addiert oder subtrahiert) werden muß, die für unbekannte Linien von zu analysierenden Substanzen abgelesen werden. Bei dieser ersten Kalibriermethode wird angenommen, daß sich das gesamte System linear verhält und nur nach oben oder unten gegen den theoretischen Wert versetzt ist.

Eine zweite, genauere Methode zur Kalibrierung des Systems arbeitet mit zwei bekannten Bezugs-Massensubstanzen, deren Massen-Spektrallinien in der Nähe des zu kalibrierenden Massenbereiches liegen, vorzugsweise sollen sie beidseits davon liegen. Die tatsächliche Abweichung von der theoretischen Skaleneinstellung für diese beiden Bezugssubstanzen, Bezugspunkt Nr. 1 und Bezugspunkt Nr. 2,geht davon aus, daß sich das System zwischen den Kalibrierungspunkten linear verhält, es ermöglicht es, daß die Korrektur durch einfache Interpolation für unbekannte Massenpunkte innerhalb des kalibrierten Bereiches erhalten wird.

Wenn der induktive Spannungsteiler 28 oder Dekadentransi'ormator nach der Erfindung in dem kalibrierten System verwendet wird, kann die Linearität 1/1000 /oo erreichen, so daß sich eine Massen-Meßgenauigkeit

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auf besser als eine Millimassen-Masseneinheit innerhalb eines großen dynamischen Bereiches von 10 bis 2000 Atmmassen-Einheiten ergibt.

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Claims (1)

1. PATENTANWALT

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   Patentansprüche

   1. Einstellvorrichtung für die Stärke eines Magnetfeldes, bestehend aus einer Einrichtung, die auf ein Eingangssignal derart anspricht, daß sie ein statisches Magnetfeld innerhalb eines Bereiches von Feldwerten einstellt, einer Einrichtung zur Bildung eines Einstellsignals, das als Eingangssignal für die Feldeinstelleinrichtung dient und das im wesentlichen linear über einen Wertebereich einstellbar ist, um damit zu bewirken, daß das von der Einstelleinrichtung eingestellte Magnetfeld Werte entsprechend dem Einstellsignal annimmt, dadurch gekennzeichnet ι daß die Einrichtung zur Bildung des Abtastsignals einen induktiven Spannungsteiler enthält, der eine linear variable Ausgangsoharakteristik hat, wodurch eine bessere Linearität der Magnetfeldeinstellungen erreicht wird.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, de,ß der variable induktive Spannungsteiler seine Ausgangsspannung in diskreten, schrittweise abgestuften Werten liefert, die eine genau vorbestimmte Linearität besser als 1 j 10 innerhalb eines dynamischen Variationsbereiches größer als 10 fa des gesamten dynamischen Bereiches aufweist.

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   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genau vor-

   "bestimmte Linearität des Spannungsteilers besser ist als 1:10 innerhalb eines dynamischen Variationsbereiches größer als 1 fo des gesamten dynamischen Ausgangssignalbereiches.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der variable Spannungsteiler einen ersten Einstellbereich für das Magnetfeld festlegt, und daß die Abtastsignal-Einrichtung eine zweite induktive Einrichtung enthält, deren Ausgangssignal mit dem Ausgang des Spannungsteilers so kombiniert ist, daß ein zweiter Einstellbereich zwischen aufeinander folgenden Schritten des ersten oder Primär-Einstellbereiches gebildet wird.

   5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4» dadurch gekennzeichnet, daß der variable Spannungsteiler eine Transformatordekade mit einem Toroidkern ist.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5> dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der ein Rückführsignal gebildet wird, das variabel den Variationen des eingestellten Magnetfeldes entspricht, sowie eine Vergleichseinrichtung, in der das Rückführsignal mit dem Einstellsignsl verglichen wird, um ein Abweichungssignal für die Feldeinstellung zu erhalten.

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   7. Torrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung einen quadratischen Wandler enthält, dessen Ausgangsspannung mit der zweiten Potenz der Feldstärke des eingestellten Magnetfeldes sich ändert.

   8. Torrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der quadratische Wandler eine Halleffekt-Sonde ist, die in das eingestellte Magnetfeld eingetaucht ist und deren Sondenausgangsspannung auf Änderungen im eingestellten Magnetfeld anspricht, wobei diese Ausgangsspannung die Rückmeldespannung bildet.

   9· Torrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Massenspektrometer, insbesondere ein Massenspektrometer vom Zykloid-Typ in das eingestellte Magnetfeld eingetaucht ist, das ein die Masse anzeigendes Ausgangssignal liefert, das sich linear entsprechend dem Quadrat der Stärke des magnetischen Fokussierfeldes ändert, so daß die Kalibrierung des Massenspektrum-Signals erleichtert ist.

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