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Hochfrequenzmassenspektrometer Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenzmassenspektrometer
und insbesondere auf eine Hochfrequenzröhre zur Analyse oder Trennung von Ionen
verschiedener Masse.
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Bei den bisher bekannten Verfahren zur Trennung und Bestimmung der
negativ geladenen Massenteile in einer elektrischen Entladung im Vakuum wird entweder
nicht die gewünschte Trennung der Ionen vom Elektronenuntergrund erzielt, oder die
Ionen gehen fast völlig durch Stöße mit den restlichen Gasmolekülen oder positiven
Ionen oder durch Photodissoziation verloren.
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Negative Atomionen haben im allgemeinen viel kleinere Elektronenbindungsenergien
als die bekannteren atomischen und molekularen Ionisationsenergien, und infolgedessen
sind die Dissoziationsquerschnitte im allgemeinen viel größer als die Ionisationsquerschnitte.
Negative Ionen werden in Wechselwirkung mit positiven Ionen aus der Bahn angezogen.
Das hat ein noch weiteres Anwachsen des Dissoziationsquerschnitts eines negativen
Ions in Wechselwirkung mit einem positiven Ion zur Folge, besonders bei Energien,
die klein sind, verglichen mit dem Ionisationsquerschnitt von entsprechenden neutralen
Komponenten.
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Ein anderer Umstand, der beitragen kann, den Verlust dieser negativen
Ionen im Hochvakuum erheblich größer als den der positiven Ionen oder neutralen
Atome
unter ähnlichen Bedingungen zu machen, ist, daß Strahlungen, die Dissoziation hervorrufen
können, im sichtbaren oder infraroten Gebiet liegen und im Bereich heißer Kathoden
auftreten, und zwar mit weit größerer Intensität als ultraviolette Strahlungen,
die zur Photoionisation von neutralen Atomen oder positiven Ionen erforderlich sind.
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Obwohl Restgasdrücke in der Größenordnung von 1o-5 mm Quecksilbersäule
zulässig sind für positive Ionen in Massenspektrometern mit magnetischer Auflösung
von Strahlenbündeln, wo die Ionen eine Entfernung in der Größenordnung von z m zurücklegen
müssen, würden solche Drücke und Weglängen für alle negativen Ionen unzulässig sein,
außer für solche elektronegativen Stoffe, wie Halogene oder Sauerstoffverbindungen,
deren Elektronenbindungsenergien TV übersteigen.
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Eine andere Schwierigkeit, die der Untersuchung negativer Ionen anhaftet,
ist, daß die Ionen gewöhnlich von Elektronenströmen begleitet sind, die mehrfach
größer als die analysierten Ionenströme sein können. Nicht nur diese Elektronenströme
müssen völlig abgetrennt werden, sondern auch alle Elektronen, die von Stoß- und
Streuprozessen herrühren.
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Weiterhin bestand bei dem bekannten Verfahren der Nachteil, daß die
elektrische Entladung als Quelle der zu analysierenden Ionen hinter einem engen
Fenster oder Schlitz angeordnet werden mußte, durch den die zu beobachtenden Ionen
hindurchtreten müssen. Nur ein sehr kleiner Bruchteil der insgesamt durch die Entladung
erzeugten Ionen kann das enge Fenster passieren, und es muß infolgedessen die ganze
Analyse mit einem sehr kleinen Teil der erzeugten Ionen bewerkstelligt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röhre zu schaffen,
in der eine Mischung von Gasen mit verschiedenen Massen in ihre verschiedenen Komponenten
getrennt werden kann. Ferner soll durch die Erfindung ein neues Verfahren zur Bestimmung
der in einer Gasmischung vorhandenen Bestandteile und weiterhin zur quantitativen
Messung der Gasbestandteile geschaffen werden. Ein weiterer Zweck der Erfindung
besteht darin, eine neue Vorrichtung zur Trennung von Ionen verschiedener Masse
durch selektive Hochfrequenzbeschleunigung zu schaffen. Ferner ist durch die Erfindung
eine Röhre mit angeschlossenen Stromkreisen geschaffen worden, die zur Analyse von
positiven oder negativen Ionen geeignet ist. Das neue Hochfrequenzmassenspektrometer
arbeitet mit wesentlich größeren Ionenströmen als die bekannten Einrichtungen dieser
Art. Ferner hat das neue Massenspektrometer den Vorteil, daß ein :Massenbereich
so schnell durchfahren werden kann, daß eine kontinuierliche Anzeige des gesamten
Massenspektrums auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre möglich ist. Das neue Massenspektrometer
gestattet ferner, das gesamte Massenspektrum kontinuierlich zu überwachen, und ermöglicht
eine elektronische Kontrolle bzw. Steuerung von Prozessen, in denen gasförmige Stoffe
schnellen Veränderungen ihrer Zusammensetzung bzw. Konzentration unterworfen sind.
Schließlich hat das neue Massenspektrometer den wesentlichen Vorzug, daß es keine
Schlitze , oder '.Magnete benötigt und daß die Massentrennung mit Hilfe von hochfrequenten
elektrischen Wechselfeldern herbeigeführt wird.
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Das neue Massenspektrometer hat auch den Vorteil, daß die Massenkomponenten
nur einen relativ kurzen Weg durchlaufen müssen, so daß ein großer Teil der erzeugten
Ionen für die Analyse nutzbar gemacht wird und daß eine Spektralanalyse negativer
und positiver Ionen möglich ist.
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Die Erfindung sei an mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht:
Abb. z zeigt eine schematische Darstellung einer einstufigen Röhre nach der Erfindung,
Abb. z ein Diagramm über die von einem ionisierten Teilchen in einer einstufigen
Röhre nach Abb. r aufgenommene Energie; Abb. 3 eine schematische Darstellung einer
zweistufigen Röhre nach der Erfindung, Abb: 4 ein Diagramm der Energie, die von
einem beide Stufen der Röhre nach Abb. 3 durchlaufenden ionisierten Teilchen aufgenommen
wird, Abb. 5 eine schematische Darstellung einer dreistufigen Röhre nach der Erfindung,
Abb. 6 ein Diagramm der Energie, die von einem die drei Stufen der Röhre nach Abb.
5 durchlaufenden ionisierten Teilchen aufgenommen wird, Abb. 7 ein Diagramm des
Spektrums der negativen Ionen von Chlor bei seiner Analyse durch eine Dreistufenröhre,
Abb. 8 ein Diagramm der Energie, die von einem eine Vierstufenröhre nach der Erfindung
durchlaufenden Ion aufgenommen wird, Abb.9 eine schematische Darstellung der Dreistufenröhre
zur Veranschaulichung eines Verfahrens für die Verbindung der Gitter in solch einer
Röhre, Abb. zo ein Schaltbild, geeignet für eine Dreistufenröhre, die als Massenspektrometer
für positive Ionen dienen soll, Abb. zz ein Diagramm der Geschwindigkeitsverteilung
der Ionen beim Durchlaufen einer Röhre nach der Erfindung, Abb. 12 die scheinbare
Geschwindigkeitsverteilung am Auffänger, Abb. 13 ein Schaltbild der Dreistufenröhre
in der Schaltung eines Massenspektrometers für negative Ionen, Abb. 1q. ein Schaltbild
für eine Vierstufenröhre. In den dargestellten Massenspektrometern wird eine Gasprobe
durch eine Leckstelle oder ein Hahnsystem bei sehr niedrigem Druck an dem Ende der
Röhre eingeführt, wo sich eine Ionisationskathode befindet. Natürlich können auch
andere Verfahren verwendet i werden, um die Ionen für die Analyse zu erzeugen. Im
folgenden werden die zu analysierenden Ionen allgemein als Ionenquelle bezeichnet.
Das Massenspektrometer selbst hat die Form einer länglichen Röhre. An dem der Ionenquelle
gegenüberliegenden Ende der Röhre befindet sich ein Auffängersystem, und zwischen
beiden sind mehrere Gitter angebracht. An den Gittern liegen geeignete Gleichspannungen
und Hochfrequenzspannungen. Diese sind so gewählt, daß die Ionen verschiedener Massen,
die durch die Gitter hindurchgehen, verschiedene Energiemengen
aufnehmen.
Durch geeignete Wahl der Spannungen wird eine bestimmte vorgegebene Ionenmasse stärker
beschleunigt als die anderen im Gemisch vorhandenen Massen. An der Auffangelektrode
am anderen Ende der Röhre liegt eine Verzögerungsspannung, die hoch genug ist, um
alle Ionen zurückzutreiben, die sich ihr nähern, ausgenommen diejenigen, die die
vorgegebene Masse haben. Diese allein haben die erforderliche Energie, um die Sammelelektrode
zu erreichen.
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Der obige Vorgang ist im folgenden ausführlicher beschrieben. Bei
der Ausführungsform nach Abb. z werden Elektronen vom Heizfaden a durch eine Gleichspannung
bis zum ersten Gitter b beschleunigt. Positive Ionen, die durch Stoß zwischen diesen
Elektronen und den in der Röhre zwischen den Gittern b und c befindlichen Gasmolekülen
erzeugt werden, werden vom Gitter b nach dem Gitter c durch eine Spannung V zwischen
den beiden Gittern beschleunigt. Die Gitter e, d und e sind in gleichem Abstand
s voneinander angeordnet. Ein Hochfrequenzfeld mit der Kreisfrequenz co ist an das
mittlere Gitter d gelegt und erzeugt zwischen den Gittern c und d das elektrische
Feld E"=E-sin(cut+0) und zwischen den Gittern d und e das elektrische Feld Ede =
-E sin (cot + 0).
In diesen Gleichungen ist t in dem Augenblick, in dem das
Ion die Ebene des Gitters c durchquert, gleich Null. Im gleichen Augenblick ist
der Wert des Feldes E" gleich E - sin O. Nimmt man einen gleichmäßigen Fluß von
Ionen zum Gitter c an, so treten gleiche Zahlen von Ionen für jeden möglichen Wert
von O am Gitter c auf. Einige von diesen Ionen werden Energie aus den Feldern aufnehmen,
während sie die Gitter durchlaufen, während andere Energie an die Felder verlieren.
Die Auffangelektrode f hat eine konstante Bremsgleichspannung, die alle Ionen zurücktreibt
mit Ausnahme derjenigen, die nahezu die maximal mögliche Energie aus den Feldern
aufgenommen haben und die ihren Ursprung in der Nähe des Gitters b haben.
Dieser Ausdruck erreicht ein Maximum mit Bezug auf Änderungen von O, wenn
ist, woraus folgt, daß diejenigen Ionen, die das Gitter d gerade in dem Augenblick
durchlaufen, in dem das Feld sich umkehrt, eine maximale Energie erlangen. Der Ausdruck
4W ist ein Maximum in bezug auf Änderungen von co, wenn n = q6° (genauer q.6° 26'),
Eine exakte Lösung für die Bewegung eines geladenen Teilchens im sinusförmigen Feld
ist äußerst schwierig. Für die vorliegende Erörterung wird eine Annäherung, in der
nur unendlich kleine Feldamplituden berücksichtigt werden, genügen. Versuche haben
gezeigt, daß diese Annäherung noch vollkommen brauchbar für endliche Amplituden
ist. Man nimmt an, daß die Geschwindigkeitsänderung eines Ions, während es sich
durch die Gitter bewegt, klein ist im Vergleich zu seiner Anfangsgeschwindigkeit,
so daß die Wirkungen der Felder auf die Laufzeit vernachlässigt werden können. Die
Raumladungseffekte können ebenfalls ohne nennenswerten Fehler vernachlässigt werden.
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Die Kraft, die auf eine Masse m zwischen den Gittern c und d einwirkt,
ist F"d=m-x=E.e.sin (c)t+(9), und die Kraft zwischen den Gitternd und e ist
F"=m-z=-E-e-sin (cot+0), worin die Zeit t null ist in dem Augenblick, in dem das
Ion das Gitter c durchläuft, so daß O der Phasenwinkel der Wechselspannung in diesem
Augenblick ist. Geht man als erste Annäherung von dem Fall aus, daß die Amplitude
der Wechselspannung klein ist, verglichen mit der Gleichspannung V, die als Beschleunigungsspannung
für das Ion von der Quelle zum Gitter c dient, so werden die Geschwindigkeitsänderungen
des Ions durch die Wechselfelder klein sein, verglichen mit der mittleren Geschwindigkeit
des Ions zwischen den Gittern c und e. Die Energie, die aus dem Wechselfeld aufgenommen
wird, ist annähernd
Die Laufzeit, die ein Ion braucht, um von einem Gitter zum nächsten zu wandern,
ist
, worin s die Entfernung zwischen den Gittern darstellt. Daraus folgt: so daß der
Laufwinkel zwischen den Gittern
ist. Die Geschwindigkeit des Ions mit maximalem Energiezuwachs erhält man aus eV
= i/2 M Mo v2. Darin ist V die Potentialdifferenz zwischen der Ionenquelle
a, b und dem Gitter c, M die Massenzahl des Ions und m" die Masse eines Ions
mit der Massenzahl
1. Durch Eliminieren von v aus den beiden letzten
Gleichungen ergibt sich
Darin ist V in Volt, s in cm und f in Hz gemessen. Abb. 2 zeigt die Energie d W,
die von einem Ion beim Durchlaufen des Gitters d in =8o° Phase aufgenommen wird,
als Funktion der Anzahl der Schwingungen ZV, die das Wechselfeld vollführt, wenn
das Ion vom Gitter c zum Gitter e wandert. Das Hauptmaximum dieser Kurve liegt bei
N = o,74 Perioden, weil der Laufwinkel zwischen dem ersten und dritten Gitter für
das maximale 4W den Wert 2 sw/v = 267°
o,74 Perioden hat. Wenn die
Bremsspannung, die im Auffangsystem wirksam ist, der Energie Z entspricht, so werden
die Ionen nur bei Frequenzen aufgefangen, die dem Bereich zwischen A und B in der
graphischen Darstellung entsprechen. Die Ionen, die das erste Gitter mit einem Phasenwinkel
abweichend vom optimalen Wert von 46° durchlaufen, erlangen eine geringere Energie
und können die Fangelektrode nur in einem Bereich erreichen, der enger ist als der
Bereich zwischen A und B. Die aufgefangenen Ionen sind diejenigen, die, was auch
immer ihre Eintrittsphase sei, genügend Energie d W erreichen, um die Energieschwelle
Z zu überschreiten, so daß die Form der für Ionen einer bestimmten Masse beobachteten
Kurve schärfer ist als der über dem Wert Z liegende Teil der dargestellten Kurve.
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Durch Versuche wurde festgestellt, daß die obige angenäherte Behandlung
genau ist, wenn die Gleichspannung zwischen der Quelle und dem ersten Gitter mehr
als zehnmal größer als die Amplitude der Hochfrequenzspannung ist, daß sich aber
bei größeren Wechselspannungen unregelmäßige Kurven für jede Massenkomponente ergeben.
Gleichwohl ergeben sich symmetrische Massenkurven für Wechselspannungen bis zu ungefähr
der halben Größe der Gleichspannungen, wenn die Gleichspannung am Gitter d, zu der
die Wechselspannung hinzugefügt wird, auf gerade den Betrag herabgesetzt wird, der
ausreicht, um die Geschwindigkeit eines Ions mit maximalem Energiezuwachs bis auf
denjenigen Wert herabzusetzen, den diese Geschwindigkeit beim Durchgang durch das
Gitter c hatte und wenn außerdem die Gleichspannung am Gitter e entsprechend unter
die des Gitters d herabgesetzt wird.
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Ein gutes Beispiel läßt sich angeben für den Fall, daß die Röhre zur
Analyse der negativen Ionen benutzt wird, die an der Oberfläche einer heißen Kathode
frei werden. In diesem Fall waren die Potentiale an den Elektroden wie folgt:
| Ionenquelle a ....... o V Gleichspannung |
| Gitter b . . . . . . . . . . . =o V Gleichspannung |
| Gitter c . . . . . . . . . . . . 4 V Gleichspannung |
| - 6 V Wechselspannung |
| (Effektivwert) |
| Gitter d . . . . . . . . . . . - 2 V Gleichspannung |
| Gitter e . . . . . . . . . . . . -- 14,1 V Gleichspannung |
| Fangelektrode f .... 2o V Gleichspannung: |
Es ist zu bemerken, daß bei diesem speziellen Versuch die Bremsspannung an das vierte
Gittere gelegt wurde und nicht an die Fangelektrode. Eine einfache Integration zeigt,
daß, wenn die Gitter ideale Gitter wären (sehr kleine Löcher, verglichen mit dem
Gitterabstand), der maximale Energiezuwachs 4W, den ein Ion im Wechselfeld erlangen
kann, ungefähr ebenso groß sein würde wie der Zuwachs durch eine Gleichspannung,
die zweimal so groß ist als der Effektivwert der Hochfrequenzspannung am Zwischengitter.
So erfordert der Gebrauch einer Hochfrequenzspannung von 6 V eine Herabsetzung der
Gleichspannung an jedem folgenden Gitter um ungefähr 6 V, um die Geschwindigkeit
der Ionen mit nahezu maximalem Energiezuwachs ungefähr konstant zu halten. Der Wert
der Bremsspannung von - 14,1 V übertrifft ein wenig den erwarteten Wert von -12
V; weil die positivere Spannung der angrenzenden Elektroden die Größe der Spannung
in der Mitte der Löcher im Bremsgitter verringert auf weniger als die Spannung am
Gitter selbst.
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Durch geeignete Wahl der Gleichspannungen kann diese Spektrometerröhre
gleich gut zum Trennen positiver wie negativer Ionen dienen. Obwohl in dieser Röhre
zur Trennung positiver Ionen kein magnetisches Feld gebraucht wird, ist es doch,
wenn man negative Ionen trennt, nützlich, ein kleines, senkrecht zur Achse der Röhre
gerichtetes Magnetfeld zu verwenden, um die von der Quelle ausgehenden Elektronen
in der unmittelbaren Nachbarschaft dieser Quelle zu halten. Dadurch wird die Bildung
von positiven Ionen in der Röhre durch die relativ großen Elektronenströme vermieden,
die andernfalls die Nachbarschaft des Bremsgitters erreichen würden. Zweistufenröhre
Das Verfahren wurde ausgedehnt auf eine Zweistufenröhre, die schematisch in Abb.
3 dargestellt ist. In diesem Fall dienen die Gitter b', c', und d' als erste Stufe,
während die Gitter e', f, g als zweite Stufe wirken. Dieselbe Hochfrequenzspannung
wird auf die Gitter c' und f zusätzlich zu den beiden verschieden großen Gleichspannungen
gegeben, deren Differenz die in Verbindung mit der Einstufenröhre oben beschriebene
Kompensation bewirkt. Wie angegeben, beschleunigt die Spannung L' die von der Quelle
acc' kommenden Ionen zum ersten Gitter b',
und die Gleichspannungen der Gitter
c', d', f und g sind ähnlich eingestellt. Die Gitter d' und e' befinden sich
auf gleichem Potential, so daß der Raum zwischen ihnen ein äquipotentialer Zwischenraum
ist. Das Bremsgitter h und die Fangelektrode P wirken wie oben angegeben.
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Die Entfernung zwischen den Gittern d' und e' ist so
bemessen, daß ein Ion mit maximalem Energiezuwachs in der ersten Stufe das Anfangsgitter
e' der zweiten Stufe in dem Augenblick erreicht, in dem die Hochfrequenzspannung
die richtige Phase hat, um ihm auch in der zweiten Stufe einen maximalen Energiezuwachs
zu geben. Um das zu erreichen, muß die Hochfrequenzspannung eine ganze Zahl von
Schwingungen
ausführen, während das Ion von Stufe zu Stufe wandert, oder genauer, vom Gitter
c' zum Gitter f. So muß die Entfernung von Gitter d' zu
Gitter
e' gleich (2,7o n - 2) s sein, worin n eine ganze Zahl ist
und s die Entfernung zwischen den Gittern in jeder Stufe. Die erste Zweistufenröhre
wurde mit n = 6 gebaut. Wir wollen sie als Zweistufenröhre mit sechs Perioden bezeichnen.
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Der Energiezuwachs, der von einem Ion in den beiden Stufen einer Zweistufenröhre
aufgenommen werden kann, ist in Abb.4 dargestellt. Die Einhüllende der Kurve ist
ähnlich der Kurve von Abb. 2, aber natürlich mit doppelter Amplitude. Dreistufenröhre
Um eine erheblich größere Empfindlichkeit und gleichzeitig für jede Masse nur eine
einzige Spitze im Massenspektrum zu erzielen, wird eine dritte Stufe eingeführt.
Eine solche Röhre ist in Abb.5 dargestellt. Die drei Stufen müssen solche Abstände
haben, daß die Hochfrequenzspannung am mittleren Gitter jeder Stufe genau eine ganze
Zahl von Schwingungen ausführt, während das Ion mit maximalem Energiezuwachs von
einer zur nächsten Stufe wandert. Diese ganzen Zahlen sind für die zwei Paare aufeinanderfolgender
Stufen so ausgewählt, daß jede merkliche Überlappung der Nebenmaxima der b,2iden
Stufenpaare vermieden wird, die dabei als Zweistufenkombinationen zu betrachten
sind. Wenn die ganzen Zahlen so gewählt werden, kann ein weit größerer Teil des
Hauptmaximums die Sperrspannung Z überragen als bei der einstufigen oder der zweistufigen
Röhre, und es wird eine entsprechende Empfindlichkeitszunahme erreicht.
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Die Dreistufenröhre der Abb. 5 besteht aus folgenden Hauptteilen Der
Ionenquelle, dem Analysator und dem Ruffänger. In der Ionenquelle werden die von
der Kathode i kommenden Elektronen durch die Gitter 2, 3, 4 und 5 beschleunigt und
kehren um, bevor sie das Gitter 6 erreichen, das auf einem negativeren Potential
liegt als die Kathode. Die Ionen, die zwischen den Gittern 3 und 4 erzeugt werden,
werden durch ein kleines negatives Potential am Gitter 5 durch das Gitter 4 gezogen.
Diese Ionen werden dann noch stärker gegen und durch das Gitter 6 beschleunigt durch
die viel negativere Spannung am Gitter 6 und fliegen durch das erste Gitter 7 des
Analysators mit einer Geschwindigkeit, die bestimmt ist durch die Spannung zwischen
dem Gitter 7 und dem Gitterkäfig 2, 3, 4, in dem die Ionen gebildet wurden.
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Die erste Stufe des Analysators besteht aus den drei Gittern 7, 8
und g, die zweite Stufe aus den Gittern io, ii und 12 und die dritte Stufe aus den
Gittern 13, 14 und 15. Die Hochfrequenzspannung wird auf das mittlere Gitter jeder
Stufe, d. h. auf die Gitter 8, 11 und 14 gegeben. Die Abstände zwischen den Stufen
und zwischen den Gittern in jeder Stufe des Analysators sind so gewählt, daß für
jede Frequenz sich nur eine Geschwindigkeit ergibt, die ein Ion haben muß, um durch
jede folgende Stufe in Phase mit dem Wechselfeld hindurchzugehen und auf diese Weise
genügend Energie zu erhalten, um die Bremsspannung am Auffänger zu überwinden. Dies
wird in erster Linie dadurch erreicht, daß das Verhältnis der Stufenabstände, genau
gleich dem Verhältnis von zwei ganzen Zahlen gemacht wird. Dabei sind die Gleichspannungen
so eingestellt, daß sie die Geschwindigkeiten der Ionen im Analysator ungefähr konstant
halten. Eine wichtige, aber weniger kritische Forderung betrifft die Beziehung zwischen
der Entfernung der Gitter in jeder Stufe und der Länge der äquipotentialen Zwischenräume
zwischen den Stufen, so daß ein Ion, das den Weg zwischen den zentralen Gittern
von zwei aufeinanderfolgenden Stufen durchläuft, während die Hochfrequenzspannung
genau eine ganze Zahl von Schwingungen vollführt, durch jede Stufe hindurchgeht,
während die Wechselspannung einen Phasenwinkel von 267° durchläuft. Im Auffangsystem
wird eine Bremsspannung angewandt, die alle Ionen zurücktreibt, ausgenommen diejenigen,
die die richtige Geschwindigkeit hatten, um die aufeinanderfolgenden Stufen in Phase
mit der Hochfrequenzspannung zu durchlaufen und die maximale Energie aus den Wechselfeldern
in jeder dieser Stufen aufzunehmen. Die Verzögerungsspannung kann entweder zwischen
dem Auffänger i9 und der Ionenquelle 2, 3, 4 oder zwischen der Ionenquelle und einem
der beiden Gitter 16 und 17 oder den beiden miteinander verbundenen Gittern liegen.
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Die Beziehung zwischen der Masse eines Ions, das den Auffänger erreicht,
der Beschleunigungsspannung, der Frequenz und dem Gitterabstand in den Stufen ist,
wie oben abgeleitet, gegeben durch
Darin ist M die Massenzahl, V die kinetische Energie in Elektronenvolt eines Ions,
das den Analysator durchläuft, s der Abstand zwischen den Gittern in den Stufen
und f die Frequenz. Die Beziehungen, die die Länge der Zwischenräume g bis io und
12 bis 13 ergeben, sind (2,7o n, - 2) s und (2,7o n2 - 2) s, worin n1 und
n2 zwei verschiedene ganze Zahlen sind. Abstand der Stufen Um ein Annäherungsverfahren
zum Auffinden der Stufenabstände für die beste Empfindlichkeit zu veranschaulichen,
wollen wir einen konstanten Strom von Ionen mit derselben Anfangsgeschwindigkeit
betrachten, der durch eine Dreistufenröhre gemäß Abb. 5 hindurchgeht. Zunächst wollen
wir diejenigen Ionen in Betracht ziehen, die durch das mittlere Gitter ii der zweiten
Stufe bei i8o° Phasenwinkel der Wechselspannung hindurchgehen, die gleichzeitig
an den Gittern 8, 11 und 14 liegt. Wird die Frequenz geändert, so schwankt die Energie
W2, die durch diese Ionen in den Feldern der zweiten Stufe aufgenommen wird, mit
der Frequenz. Wenn die maximale Amplitude X, die am Gitter ii wirkt, klein ist im
Vergleich zu der Beschleunigungsspannung, die
auf die Ionen vor
dem Eintritt in deri Analysatoi eingewirkt hat, so kann die Geschwindigkeit v der
Ionen in erster Annäherung als konstant angesehen werden bei Berechnung der Zeit,
die das Ion braucht, um sich. vom Gitter io zum Gitter ix oder vom
Wie vorhin gezeigt, liegt das Maximum dieses Funktion bei 2 n
- Fo = 133,5°, worin F" die Frequenz beim Maximum von WZ ist. Die maximale Energie
W. ist gleich 1,450 Xe.
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Die Energie TV, die von denselben Ionen beim Durchgang durch die erste
Stufe aufgenommen wird, ist angenähert gleich W2 - cos 2 n n1 F/Fp, worin n1 die
ganze Zahl im Ausdruck (2,7o izl - 2) s ist, der die Länge des Zwischenraumes zwischen
den Gittern 9 und io als Funktion des Abstandes s zwischen den Gittern der Stufen
angibt. Entsprechend ist die Energie W3, die von diesen Ionen in der dritten Stufe
aufgenommen wird,
worin 1a2 eine von n1 verschiedene ganze Zahl ist. Die gesamte Energie W, die durch
diese Ionen in den drei Stufen aufgenommen wird, ist dann
Diese Funktion ist in Abb. 6 für eine Sieben- und Fünfperiodenröhre dargestellt.
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Eine gleichzeitige Darstellung der beiden Kosinusfunktionen für eine
Sieben- und Fünfperiodenröhre zeigt, daß die beiden Funktionen einander verstärken
bei von der Grundfrequenz F, verschiedenen Frequenzen F, für die
84, 116 und 141 °/o ist. Tatsächlich erscheinen, wenn die Verzögerungsspannung am
Auffänger zu klein ist, gerade bei diesen Frequenzen die Nebenspitzen.
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Abb. 6 zeigt diese Nebenmaxima und auch daß die kleinste brauchbare
Verzögerungsspannung bei dieser Röhre 75 °/o der Spannung beträgt, die nötig ist,
um die Hauptspitze aufzuheben.
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Eine Schätzung der mit der Röhre erzielbaren Auflösung kann gemacht
werden durch Prüfung der Breite des Hauptmaximums in Abb. 6 oberhalb der Nebenmaxima.
Es ist zu erkennen, daß die Breite dieser Kurve gleich etwa 2 °/r, an der Frequenzskala
ist, was auf der Massenskala einer zweimal größeren Breite des Maximums entspricht,
da die angezeigte Masse umgekehrt proportional ist dem Quadrat der Frequenz in diesem
Gerät.
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In Abb. 7 ist ein experimentell beobachtetes Spektrum der negativen
Ionen von Chlor dargestellt, die aus einer Oxydkathode in einer Sieben- und F ünfperiodenröhre
kommen, in der die Ionenquelle der Gitter ii zum Gitter m zu bewegen. Für diese
Zeit ergibt sich so der Wert v , worin s die Entfernung zwischen den Gittern ist.
Dann ergibt sich für die Energie W2 die Beziehung Abb. 5 ersetzt ist durch eine
Kathode, die negative Chlorionen liefert, und in der die Polaritäten der Spannungen
umgekehrt sind, um negative Ionen an Stelle von positiven Ionen zu beobachten. Man
sieht, daß in der Tat die Auflösung des Analysators dieser Röhre ungefähr 3 °/ö
beträgt. Wenn man jedoch diese Röhre als Massenspektrometer für positive Ionen benutzt,
so verbreitert die Geschwindigkeitsverteilung der von der Ionenquelle kommenden
Ionen die Kurven, wie weiter unten erörtert wird, und der obige Wert ist im allgemeinen
mit dieser Röhre nicht zu verwirklichen.
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Es ist noch zu bemerken, daß durch Vergrößerung der Zahl der Stufen
von drei auf vier der Gebrauch von größeren ganzen Zahlen ermöglicht wird und daß
die Verbesserung der Auflösung größer ist als proportional der Stufenzahl. Abb.
8 zeigt die Form der Kurve der Energie W für eine Dreizehn-, Elf-und Siebenperiodenröhre.
Es ist zu erkennen, daß die Nebenmaxima bei 84 und 116 °/o der Grundfrequenz für
jede Masse auftreten und daß man eine Verzögerungsspannung von nur 70 °/o desjenigen
Wertes gebrauchen kann, der das für die Grundfrequenz erhaltene Hauptmaximum zum
Verschwinden bringt. Da die gesamte Periodenzahl von der ersten bis zur letzten
Stufe 31 beträgt, verglichen mit 12 für die sieben- und fünfperiodische Dreistufenröhre,
und die Auflösung der Periodenzahl proportional ist, so sollte sich hier eine Breite
des Maximums von 1i/4 °/0, auf die Massenskala bezogen, ergeben, abgesehen von dem
Einfluß der Streuung der Ionengeschwindigkeiten beim Austritt aus der Ionenquelle.
Innenverbindungen In der obigen Diskussion der Theorie der neuen Röhre wurde vorausgesetzt,
daß die Gleichspannung jedes nachfolgenden Gitters um einen Betrag herabgesetzt
ist, der gerade ausreicht, um den Geschwindigkeitszuwachs, den ein Ion bei Durchlaufen
des vorangehenden Wechselfeldes günstigstenfalls erlangen kann, zu kompensieren,
so daß diejenigen Ionen, die die maximale Energie in den Wechselfeldern aufnehmen,
sämtliche Analysatorstufen mit ungefähr gleichbleibender Geschwindigkeit durchlaufen.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Zahl der den Gittern zuzuführenden
verschiedenen Gleichspannungen wesentlich verringert werden kann. Der Energiegewinn
der Ionen in den Analysatorstufen kann ausreichend kompensiert werden durch ein
verzögerndes Potentialgefälle, im folgenden als Kompensationsspannung bezeichnet,
zwischen aufeinanderfolgenden,
in sich äquipotentialen Stufenzwischenräumen.
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Die Art der Gitterverbindung innerhalb der Röhre ist in Abb. 9 gezeigt.
Die Gleichspannungsgitter 7, 9 und to sind an eine Zuführungsleitung A angeschlossen,
die Hochfrequenzgitter 8, 11 und 14 an eine Leitung B und die Gleichspannungsgitter
12, 13 und 15 an eine Leitung C. Eine solche Verbindung der Gitter innerhalb der
Röhre ist im folgenden als Innenverbindung bezeichnet. Die Innenverbindung vermindert
die Zahl getrennter Leitungseinführungen durch die Röhrenwandung und verringert
außerdem die Zahl der zum Betrieb der Röhre erforderlichen verschiedenen Gleichspannungen.
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Es ist nicht zweckmäßig, die Innenverbindung auch auf die Stufenzwischenräume
auszudehnen, weil dann die Zunahme der Geschwindigkeit in jedem nachfolgenden Stufenzwischenraum
höhere Nebenmaxima zur Folge hat, die eine so große Verzögerungsspannung am Auffänger
erfordern, daß die gewünschte Empfindlichkeit nicht zu erreichen ist. Wenn man andrerseits
jeden späteren Stufenzwischenraum verlängert, um die Geschwindigkeitszunahme zu
kompensieren, so wird es nötig, Hochfrequenzspannungen mit Amplituden zu benutzen,
die proportional zu der Beschleunigungsspannung V sind, und die Anpassungsfähigkeit
dieses Gerätes geht dadurch großenteils verloren.
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Da die in diesen Röhren benutzten Gitter relativ große Öffnungen haben
und infolgedessen weit entfernt von idealen Gittern sind, so ist der wirksame maximale
Energiegewinn je Stufe merklich kleiner als der obenerwähnte theoretische Wert von
1,450 Xe.
Ein brauchbares Verfahren, die richtige Spannung zwischen den aufeinanderfolgenden
Stufenzwischenräumen zu bekommen, besteht darin, die Verzögerungsspannung so weit
herabzusetzen, bis Nebenspitzen auftreten und sodann die Kompensationsspannung derart
einzustellen, daß die zusammengehörigen Paare solcher Nebenspitzen die gleiche Höhe
haben: Solch ein Nebenspitzenpaar in der Sieben- und Fünfperiodenröhre, brauchbar
für diesen Zweck, würden die Spitzen sein, die bei 84 und 1160/" der Grundfrequenz
auftreten. Verbindungen für Batterieanschluß Abb. to zeigt eine von verschiedenen
Möglichkeiten zur Schaltung der Röhre für ein Massenspektrometer für positive Ionen.
In diesem Beispiel wird eine Akkumulatorenbatterie B1 als Energieversorgung für
die Ionenquelle benutzt, und die Batterien B2, B3 und B4 liefern die übrigen Gleichspannungen
für die Röhre. Der Heizfaden wird im dargestellten Beispiel von einem Heiztransformator
gespeist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, als Heizfaden einen 0,005
Zoll starken Wolframdraht in Gestalt einer flachen Spirale zu benutzen, die mit
Thoriumdioxyd überzogen ist. Zwischen dem Heizfaden i und dem Käfig 3, q. ist eine
Potentialdifferenz von etwa 8o V vorgesehen, und die Spannung zwischen Kathode und
Gitter 2 ist so eingestellt, daß ein Elektronenstrom von o,i mA bei einem Gasdruck
in der Röhre von 1o- mm Hg und bis zu to mA bei Gasdrücken von to-' mm und darunter
fließt. Eine Ziehspannung von etwa - to V in bezug auf den Käfig liegt an dem Gitter
5, und eine die Elektronen abstoßende Spannung von ungefähr - roo V relativ zum
Käfig ist an das Gitter 6 gelegt.
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Die Kompensationsspannungen werden gegeben mit Hilfe eines Spannungsmeßgerätes
VB und von zwei gleichen Widerständen R1 und R2, deren Summe gleich dem Widerstand
des Spannungsmessers VB ist. Die Größe der benutzten Spannung wird mit dem Widerstand
R3 eingestellt und anfänglich so gewählt, daß der Spannungsmesser VB ungefähr den
i,8fachen Effektivwert der Hochfrequenzspannung des Hochfrequenzerzeugers 21, d.
h. im allgemeinen etwa 5 Veff anzeigt.
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Der Spannungsmesser V zeigt in der dargestellten Schaltung den Wert
der Beschleunigungsspannung an. Diese Spannung wird in der gezeigten Weise erzeugt,
wenn die Frequenz geändert werden soll, um die Entnahme aus der Batterie B2 zu verringern.
Es kann auch, wenn gewünscht wird, die Frequenz konstant zu halten und die Spannung
zu ändern, diese Spannung zweckmäßiger von einem Potentiometer entnommen werden,
das an B2 gelegt ist.
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Die Verzögerungsspannung wird zwischen Käfig und Erde gelegt, weil
der Auffänger über den Gleichspannungsverstärker 2o mit dem Erdpotential verbunden
ist. Die Verzögerungsspannung wird mit dem Gerät Vs gemessen und mit dem Widerstand
R6 geregelt. Als Anfangswert der von V's angezeigten Verzögerungsspannung wird normalerweise
ungefähr das 4,5fache vom Effektivwert der Hochfrequenzspannung benutzt.
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Ein Hochfrequenzerzeuger 21 für veränderliche Frequenz liefert die
Hochfrequenzspannung über einen Glimmerkondensator 22 von o,oi yF an die miteinander
verbundenen Gitter 8, 11 und 14, während die Gleichspannung, wie in der Abbildung
gezeigt, an dieselben Gitter über eine Hochfrequenzdrossel 23 zwischen den Widerständen
R1 und R2 angeschlossen ist. Es ist wünschenswert, die Amplitude der Hochfrequenzspannung
konstant zu halten bis auf etwa 1 °/o für alle Werte dieser Frequenz. Zu diesem
Zweck ist ein Röhrenvoltmeter 24 zum Messen der Hochfrequenzamplitude an der Röhre
vorgesehen.
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Alle Gleichspannungsverbindungen in der Röhre sind über keramische
Kondensatoren 25 bis 31 von o,ooi liF mit Erde verbunden. Der Widerstand R4 wird
anfänglich auf Null eingestellt.
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Da diese Röhre nicht mit höherer Spannung als ungefähr Zoo V betrieben
wird, können die Kontaktspannungen eine merkliche Wirkung ausüben. Zum Beispiel
sind in der in Abb. 5 gezeigten Röhre die Gitter aus geflochtenem Wolframdraht gemacht,
während die gewebte Abschirmung, die die Stufenzwischenräume umschließt, aus Chromnickelstahl
gemacht ist. Die Kontaktspannung zwischen Wolfram und Chromnickelstahl verursacht
eine Veränderung der Ionengeschwindigkeit während ihres Laufes durch den Stufenzwischenraum,
so daß die Geschwindigkeit in der Mitte des Raumes verschieden ist von der nahe
den Enden. Dieser Fehler in der Geschwindigkeit
wird für die beiden
Stufenzwischenräume verschieden sein, weil das Verhältnis von Länge und Querschnitt
für beide verschieden ist. Dieser Fehler ist bedeutend größer bei kleinen Werten
der Beschleunigungsspannung V und kann im Grenzfall zu einem schädlichen Anwachsen
der Nebenmaxima Anlaß geben. Aus diesem Grunde ist es, nachdem die Kompensationsspannung
eingestellt worden ist, ratsam, den Abgleich bei einem kleinen Wert der Spannung
V von etwa 25 V nachzuprüfen, um festzustellen, ob Kontakt-Potential-Differenzen
in schädlicher Höhe vorhanden sind.
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Es wurde festgestellt, daß solche Kontaktspannungen durch Neuabgleich
bei dem niedrigeren Wert der Spannung V kompensiert werden können. Ionenquellen
In den früheren Versuchen mit dieser Röhre wurden die Ionen zwischen zwei Gittern
erzeugt, zwischen denen eine kleine Potentialdifferenz lag, um die Ionen zum Analysator
zu treiben. Es wurde gefunden, daß die beste Empfindlichkeit erreicht wird, wenn
die Spannung zwischen den Gittern auf Null herabgesetzt wird. Weiterhin konnte die
Empfindlichkeit verbessert werden durch Umschließen des Raumes zwischen den Gittern
durch eine zylindrische, leitende Abschirmung, die auf demselben Potential liegt
wie die Gitter.
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Die Erklärung dafür ist wie folgt: Die ionisierenden Elektronen machen
wegen ihrer Raumladung auf dem Wege durch den Raum zwischen den Gittern diesen Raum
negativer als die diesen Raum umschließenden Elektroden. Ein Ion, das durch Stoß
zwischen einem dieser Elektronen und einem Gasmolekül gebildet wird, kann aus diesem
Raume nur entweichen, wenn die kinetische Energie des Ions ausreicht, um die Potentialdifferenz
zwischen der Stelle des Raumes, an der die Ionisation stattfand, und einer Stelle
der umgebenden Elektroden zu überwinden. Diese kinetischen Energien sind meist von
der Größenordnung von weniger als ein Elektronenvolt, und infolgedessen sammeln
sich die positiven Ionen im Innern der Ionisierungskammer, bis sie die Elektronenraumladung
bis auf eine Potentialdifferenz in der Größenordnung von i V neutralisiert haben.
Sobald dieses geschehen ist, beginnen wegen des Durchgriffs der elektrischen Spannung
einer negativ geladenen Elektrode in der Nähe des Gitters durch die Löcher dieses
Gitters Ionen abgezogen zu werden.
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In den früheren Versuchen wurden die zwischen den Gittern erzeugten
positiven Ionen durch das nächste Gitter angezogen, das auf dem Potential V liegt,
und es wurden auch Ionen rückwärts gezogen wegen des negativen Potentials an der
Kathode. Aus diesem Grunde wurde, wie in Abb. 5 dargestellt, auf der Seite der Kathode
ein Doppelgitter eingeführt, um diesen Ionenverlust auf der Kathodenseite herabzudrücken.
Keine Empfindlichkeitssteigerung konnte erreicht werden durch Anlegen einer Potentialdifferenz
zwischen diese Gitter oder die Abschirmung. Sie wurden deshalb alle elektrisch miteinander
in dem Käfig 2, 3, q. verbunden, der in der Besprechung von Abb. 5 erwähnt wurde.
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Ein weiterer Empfindlichkeitszuwachs wurde bewirkt durch Einführung
des zusätzlichen Gitters 5 (vgl. Abb. 5), an das eine kleine negative Spannung von
io bis 2o V relativ zum Käfig gelegt werden konnte. Ohne diese Gitter hätten die
starken elektrischen Felder in der Nähe der Drähte der Gitter, z. B. des Gitters
q. oder 5, wo die Ionen sich noch langsam bewegen, Geschwindigkeitskomponenten zur
Folge, die einen Winkel mit der Achse der Röhre bilden. Durch Benutzung von Gitteranordnungen
nach Abb. 5 werden die Felder um die Gitterdrähte klein gehalten, ausgenommen an
Stellen, wo die Ionen größere Geschwindigkeiten erreicht haben.
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Dieses Verfahren vermeidet natürlich nicht vollständig die Einflüsse
der um die Drähte der Gitter sich bildenden Felder, durch die die Ionen aus der
Parallelrichtung zur Röhrenachse abgelenkt werden. Eine weitere kleine Verbesserung
der Empfindlichkeit wird erreicht durch Benutzung von Kragen an den Gittern 5 und
6 in der in Abb. 5 gezeigten Ausführung: Geschwindigkeitsverteilungen Der große
Vorteil einer Ionenquelle dieser Art liegt natürlich in den großen Ionenströmen,
die erreicht werden können. Durch Erhöhung der Ziehspannung Vn am Gitter 5 wird
der Ionenstrom vergrößert, aber auch die Geschwindigkeitsstreuung der Ionen. Abb.
zi zeigt eine typische Geschwindigkeitsverteilung für diese Quelle, in der der Ionenstrom
für i Elektronenvolt dargestellt ist als Funktion der Differenz 8 V in Elektronenvolt
zwischen der Energie der Ionen und der Energie, die sie haben würden; wenn sie mit
der kinetischen Energie Null aus einer Stelle heraus erzeugt würden, die das elektrische
Potential des Käfigs hat. Die Kurven in Abb. il gelten für verschiedene Werte der
Ziehspannung VD.
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In diesem Spektrometer erreichen die Ionen den Auffänger durch Überwindung
der an ihm wirkenden Verzögerungsspannung. Die Ionen von der Quelle, die die kleineren
Geschwindigkeiten haben, sind weniger fähig, genügend Energie aus den Hochfrequenzstufen
im Analysator aufzunehmen, um die Verzögerungsspannung zu überwinden, als die Ionen,
die die Quelle mit den größeren Energien verlassen. Deshalb besteht die Wirkung
der durch die Verzögerungsspannung hervorgerufenen Selektion darin, die Kurven der
Geschwindigkeitsverteilung zu verschärfen, und es ergibt sich eine effektive Geschwindigkeitsverteilung,
wie in Abb. 12 dargestellt ist. Das mittlere Energiedefizit d V der Ionen für diese
scheinbare Streuung stellt die Differenz zwischen der Energie dar, die diese Ionen
effektiv haben, und der Energie, die sie haben würden, wenn sie mit der kinetischen
Energie Null vom Potential des Käfigs erzeugt worden wären. Dieser Wert stellt eine
Quellenkorrektion dar, die dem Wert von V in der oben angegebenen Formel hinzugefügt
werden muß
Solange die Frequenz der Hochfrequenzspannung dieselbe ist, kann
eine Korrektion eingeführt werden für diesen Fehler durch Hinzufügen eines Widerstandes
R4, wie in Abb. io gezeigt ist, und durch eine solche Einstellung dieses Widerstandes,
daß sein Spannungsgefälle gleich d V ist und indem R3 um denselben Betrag vermindert
wird. Es kann dann durch geeignete Wahl der Frequenz der Spannungsmesser V direkt
in Masseneinheiten geeicht werden mit eben der Genauigkeit, wie sie die Auflösung
der Röhre ermöglicht. Auffangsystem Der Vorteil der großen Ionenströme, die von
der Ionenquelle zu erhalten sind, geht teilweise verloren, wenn man Gleichspannungsverstärkung
für den Auffängerstrom anwendet. Derjenige Teil der Strahlung von der Ionenquelle,
der in die Nachbarschaft des Auffängers kommt, ionisiert das Gas in der Nähe des
Auffängers durch Vorgänge, die bisher noch nicht geklärt worden sind. Es wurde jedoch
gezeigt, daß diese Ionisation annähernd proportional dem Quadrat des Druckes ist
und daher wahrscheinlich einen zweifachen Ionisationsprozeß darstellt. Dieser erzeugt
sowohl positive Ionen als auch Elektronen zwischen dem Auffänger und dem nächsten
Gitter, und jedwedes elektrisches Feld vor dem Auffänger verursacht einen frequenzunabhängigen
Störstrom.
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In Abb. io, die die Verbindungen zur Röhre zeigt, wenn Batterien zur
Lieferung der Gleichspannungspotentiale benutzt werden, ist das Gitter 16 mit den
Gleichspannungsgittern des ersten Analysators verbunden, während das Gitter
17 geerdet ist. Die Verbindung für das Gitter 16 hat den Zweck, Elektronen
abzubremsen, die in dem Analysator erzeugt werden und die andernfalls den Auffänger
erreichen würden. Die Verbindung für Gitter 17 hat den Zweck, die elektrische Feldstärke
in der Nähe des Auffängers herabzudrücken, um den Störstrom zu vermindern. Ausgenommen
bei den höchsten Gasdrücken, ist es nicht wesentlich, das Gitter 16 wie gezeigt
zu verbinden, und es ist auch manchmal vorteilhaft, das Gitter zu erden, um das
Feld am Auffänger noch weiter zu schwächen.
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Die Nachteile, die sich aus dem Störstrom ergeben, können durch Niederfrequenzverstärkung
des Auffängerstromes vermieden werden. Dies wird erreicht durch Niederfrequenzrnodulation
der im Analysator verwendeten Hochfrequenzspannung und durch Verwendung eines Wechselstromverstärkers
für diese Niederfrequenz. Der Störstrom und auch der Rauschstrom werden durch einen
LC-Stromkreis zur Erde abgeleitet, der auf die Niederfrequenz abgestimmt ist und
zwischen dem Auffänger und Erde liegt, während die niederfrequente Komponente des
Auffängerstromes in den Verstärker gelangt. Niederfrequenzen von iooo und 5ooo Hz
haben sich als brauchbar erwiesen.
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Der Prozentsatz der Ionen aus der Quelle, der den Auffänger erreichen
kann, hängt von dem Verhältnis zwischen der Verzögerungsspannung und derAmplitude
der Hochfrequenzspannung ab, nicht aber von einer dieser beiden allein. Deshalb
können, wenn der Ausgang des Hochfrequenzgenerators in geeigneter Weise in einem
Kaskadengleichrichter gleichgerichtet wird, um Gleichspannungen proportional der
Hochfrequenzspannung zu erzeugen, diese Gleichspannungen als Verzögerungsspannung
sowie als Kompensationsspannung benutzt werden. Dies kann nach normalen elektronischen
Verfahren geschehen und ergibt eine Wirkung der Röhre, die weitgehend unabhängig
von Schwankungen der Hochfrequenzamplitude des Hochfrequenzerzeugers ist.
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An Stelle von Batterien können auch elektronische Energiequellen verwendet
werden, so daß dann alle Energiequellen für die Röhre elektronischer Natur sind.
In diesem Fall ist es nützlich, alle für die Röhre benutzten Spannungen nicht nur
im Hinblick auf die Stärke der aufgedrückten Potentiale zu prüfen, sondern auch
auf überlagerte Wechselspannungen. Verbindungen für die Analyse von negativen Ionen
Abb.13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Schaltung einer Röhre zum Gebrauch
als Massenspektrometer für negative Ionen. In dieser Darstellung ist die Ionenquelle
als indirekt geheizte Kathode i ausgebildet, deren Heizfaden 2 von einem Transformator
gespeist wird. Eine Batterie B1 liefert die. Gleichspannung zur Beschleunigung der
negativen Ionen, die an der Oberfläche der Kathode erzeugt werden.
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Die Verbindungen für die Elektroden 7 bis 15 sind dieselben wie für
das Massenspektrometer für positive Ionen, nur daß alle Polaritäten umgekehrt sind.
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In einem Massenspektrometer für negative Ionen wird ein schwaches
magnetisches Feld von ungefähr 2o Gauß angewandt, um dieElektronen zurückzuhalten.
Dieses Feld ist senkrecht zur Röhre gerichtet und wirkt in der Nähe der Kathode,
es ist nicht kritisch und ein U-förmiger Permanentmagnet ist völlig ausreichend
für diesen Zweck.
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Die Verzögerungsspannung ist zwischen die Ionenquelle i und die beiden
Gitter 16 und 17 gelegt, während die Auffangelektrode i9 dasselbe Potential hat
wie die Gleichspannungsgitter 7, g und io, die geerdet sind. In diesem Fall werden
durch das Gitterpaar 16, 17 die Ionen ausgewählt, die den Auffänger erreichen, während
das Potential am Auffänger dazu dient, alle positiven Streuionen zurückzudrängen,
die im Analysator gebildet werden. Dieses ist nur ein Beispiel für die Verbindungen
in dem Auffängersystem. Das Gitter 16 könnte auch ebensogut mit den Gittern 7, 9
und io verbunden werden, wie in dem Fall der Trennung von positiven Ionen, während
die von V,s angezeigte und am Gitter i8 liegende Verzögerungsspannung geerdet ist.
In diesem Fall müßte natürlich die am Gitter io liegende Erde durch einen Kondensator
ersetzt werden.
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In Abb. 14 ist ein geeignetes Verfahren zur Schaltung einer Vierstufenröhre,
wie z. B. die Dreizehn-, Elf-, Siebenstufenperiodenröhre der Abb.8, dargestellt.
Die verschiedenen Teile dienen den gleichen Zwecken, wie in Verbindung mit Abb.
io erläutert wurde. Es ist zu bemerken, daß die Vierstufenröhre nur eine Durchführung
mehr benötigt als die Dreistufenröhre. Die zusätzliche Stufe in Abb. 14 wird durch
die Gitter 33, 34 und 35 gebildet. Der Kondensator 32 dient
demselben
Zweck wie die Kondensatoren 25 bis 3i der Abb. io.
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Schnelle Abtastung Die verhältnismäßig großen Ionenströme, die in
diesem Massenspektrometer zur Verfügung stehen, haben es möglich gemacht, einer
Forderung zu genügen, die seit Jahren erhoben wird, nämlich ein Massenspektrometer
zu schaffen, das eine Massenskala schnell genug abzutasten gestattet, um eine fortlaufende
Anzeige des gesamten Massenspektrums auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre zu
erzeugen.
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Dieses ist erreicht worden durch Verwendung einer Niederfrequenzmodulation
der Hochfrequenzenergie mit iooo Hz und durch Verstärkung dieser Frequenz. Im ersten
Versuch wurde die Frequenz festgehalten, während die Beschleunigungsspannung V zweimal
in der Sekunde zwischen 50 und 250 V geändert wurde. Dieselbe Spannungwurde
auch direkt auf dieKathodenstrahlröhre gegeben, um die horizontale Ablenkung hervorzurufen,
während der Ausgang des Verstärkers direkt auf die Kathodenstrahlröhre gegeben wurde
zur Erzeugung der vertikalen Ablenkung. Der Massenbereich von io bis 50 Masseneinheiten
wurde auf diese Weise kontinuierlich angezeigt.
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Wenn das Gas, das die Leckstelle umgibt, plötzlich geändert wurde,
brach das vorhergehende Massenspektrum zusammen, und an seiner Stelle sprang das
neue Massenspektrum auf innerhalb der Größenordnung i Sekunde, die nötig war, das
neue Gas durch die Leckstelle in das Vakuumsystem eintreten zulassen.
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Obgleich die Auflösung dieses Gerätes etwas schwächer ist als diejenige,
die man mit Massenspektrometern erreicht, die mit magnetischer Ablenkung von Ionenbündeln
arbeiten, die durch Schlitze an der Quelle und am Auffänger begrenzt werden, so
ergeben sich doch durch den Fortfall von Schlitzen in diesem Gerät ungefähr io ooomal
größere Ionenströme. Dieses hat aber neue Verfahren möglich gemacht und neue Arten
der Anwendung, für die früher kein geeignetes Gerät zur Verfügung stand.