DE1698202B2

DE1698202B2 - ELECTRON IMPACT ION SOURCE FOR A MULTIPOLE MASS FILTER

Info

Publication number: DE1698202B2
Application number: DE1968C0044794
Authority: DE
Inventors: Clifford E. Altadena Calif. Berry (V.St.A.) (verstorben)
Original assignee: Consolidated Electrodynamics Corp., Pasadena, Calif. (V.St.A.)
Priority date: 1968-03-07
Filing date: 1968-03-07
Publication date: 1976-07-29
Also published as: DE1698202A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elekironenstoß-Ionenquelle fur ein Multipoimassenfilter mit mehreren, um eine zentrale Achse angeordneten länglichen Elektroden, wobei die Ionenquelle einen Elektronenstrahlgenerator aufweist, dessen Elektronenstrahl die zentrale Achse senkrecht durchsetzt. Eine derartige Ionenquelle ist aus der FR-PS 1230714 bekannt.The invention relates to an electron impact ion source for a multipoint mass filter with several elongated electrodes arranged around a central axis, wherein the ion source has an electron beam generator, the electron beam of which is the central Axis interspersed vertically. Such an ion source is known from FR-PS 1230714.

Bei dem aus der französischen Patentschrift 1230714 bekannten Quadropol-Massenfilter sind vier stangenförmige Elektroden um die Strahlachse einander in x-Richtung und in y-Richtung gegenüberliegend angeordnet. Ein ähnliches Quadrupol-Massenfilter ist aus der US-PS 2 939952 bekannt, bei dem die Elektroden nach Art von Hyperboloiden ausgebildet sind. Bei den genannten Filtern werden die zu untersuchenden Ionen am einen Ende des Filters eingeführt und bewegen sich längs der Mittelachse zwischen den Elektroden. Diese Filter haben jedoch den Nachteil, daß ihr elektrostatisches Streufeld Ionen beim Einlaufen in das Filter ablenkt. Dadurch wird sowohl die Empfindlichkeit wie auch das Auflösungsvermögen des Filters beeinträchtigt.In the case of the quadrupole mass filter known from French patent specification 1230714 four rod-shaped electrodes around the beam axis opposite one another in the x-direction and in the y-direction arranged. A similar quadrupole mass filter is known from US Pat. No. 2,939,952 in which the electrodes are designed in the manner of hyperboloids. In the case of the filters mentioned, the Ions are introduced at one end of the filter and move along the central axis between the electrodes. However, these filters have the disadvantage that their stray electrostatic field ions when Entering the filter distracts. This increases both sensitivity and resolution of the filter is impaired.

Es ist zwar aus The Review of Scientific Instruments, Band 20, Nr. 11, November 1949, Seiten 773, bekannt, den aus einer Elektronenstrahlquelle austretenden Elektronenstrom durch Beeinflussung der Raumladung mii Hilfe einer Steuerelektrode zu regeln und dadurch indirekt den erzeugten Ionenstrom zu steuern. Jedoch kann durch diese Maßnahme der erwähnte nachteilige Einfluß des Eingangs-Streufeldes der Filterelektroden nicht beseitigt werden.Although it is from The Review of Scientific Instruments, Volume 20, No. 11, November 1949, pages 773, known, the electron stream emerging from an electron beam source by influencing it to regulate the space charge with the help of a control electrode and thereby indirectly the generated ion current to control. However, the aforementioned adverse influence of the input stray field can be avoided by this measure the filter electrodes cannot be removed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Eloktronenstoß-Ionenquelle Maßnahmen vorzusehen, die den Streufeld-Einfluß am Filter-Eingang auf die Leistungsfähigkeit des Filters inn wesentlichen beseitigen.The invention is therefore based on the object of the electron impact ion source mentioned at the outset Take measures to reduce the influence of the stray field at the filter input on the performance the filter in substantially eliminate.

Bei der eingangs genannten Ionenquelle ist dazu ίο erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwei der länglichen Elektroden zueinander fluchtende Bohrungen haben, durch die der Elektronenstrahl verläuft, und daß der Elektronenstrahl-Generator ein Steuergitter aufweist, an das eine Steuerschaltung zum zeitweisen Sperren des Elektronenstrahls angeschlossen ist. Dadurch werden die Ionen innerhalb des Filters, d. h. zwischen den Elektroden erzeugt, so daß sie das Streufeld nicht zu passieren brauchen.In the case of the ion source mentioned at the beginning, it is provided according to the invention that two of the elongated Electrodes have aligned holes through which the electron beam passes, and that the Electron beam generator has a control grid to which a control circuit for temporary blocking of the electron beam is connected. This causes the ions within the filter, i.e. H. between generated by the electrodes so that they do not need to pass through the stray field.

Wenn der Elektronenstrahl-Generator eine Ka-If the electron beam generator has a

ao thode und eine Anode aufweist, empfiehlt es sich, daß die Kathode und das Steuergitter einerseits und die Anode andererseits auf der von der zentra/en Achse abgewandten Seite der mit den Bohrungen versehenen Elektroden angeordnet sind. Sind weiter die läng-ao method and an anode, it is recommended that the cathode and the control grid on the one hand and the anode on the other hand on that of the central axis remote side of the electrodes provided with the bores are arranged. Are the long-

J5 liehen Elektroden an eine Wechselstromquelle angeschlossen, dann steht die Steuerschaltung vorteilhafterweise mit der Wechselstromquelle in Verbindung. Die Steuerschaltung kann dann eine Rechteckspannung liefern, die den Elektronenstrahl während der einen Halbwelle der Wechselstromquelle sperrt.J5 borrowed electrodes connected to an AC power source, then the control circuit is advantageously connected to the alternating current source. The control circuit can then supply a square wave voltage that the electron beam during the blocks a half cycle of the AC power source.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the exemplary embodiment shown in the drawings explained. It shows

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein vierpoliges Massenfilter undFig. 1 shows a longitudinal section through a four-pole mass filter and

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 mit einer schematisierten Schaltung für den Betrieb des Filters.FIG. 2 shows a cross section along the line 2-2 in FIG. 1 with a schematic circuit for the Operation of the filter.

Als Multipoimassenfilter ist in den Figuren ein vierpoliges Massenfilter 10 dargestellt, das ein hohles, zylindrisches Metallgehäuse 12 mit vier darin angeordneten Elektroden 14, 16, 18, 20 aufweist, welche an Isolatoren 22 befestigt sind. Bei den Elektroden 14 bis 20 handelt es sich um gleich lange metallische Stangen, die parallel zueinander sowie symmetrisch um eine zentrale Achse Z des Filters angeordnet sind. Die Mittellinien der sich gegenüberliegenden Elektroden 14 und 18 liegen auf der X- Achse eines kartesischen Koordinatensystems und sind nachstehend auch als A'-Elektroden bezeichnet; das andere Paar von sich gegenüberliegenden Elektroden 16, 20 liegt mit den Längsachsen auf der V-Achse des Systems, diese Elektroden sind auch als V-Elektroden bezeichnet. Theoretisch betrachtet sollten die Elektroden im Querschnitt eine hyperbolische Krümmung haben, um die besten Ergebnisse zu erreichen; in der Praxis hat es sich aber gezeigt, daß ein zylindrischer Querschnitt einen sehr guten Währungswert bedeutet.A four-pole mass filter 10 is shown in the figures as a multipole mass filter, which has a hollow, cylindrical metal housing 12 with four electrodes 14, 16, 18, 20 arranged therein, which are fastened to insulators 22. The electrodes 14 to 20 are metallic rods of equal length which are arranged parallel to one another and symmetrically about a central axis Z of the filter. The center lines of the opposing electrodes 14 and 18 lie on the X axis of a Cartesian coordinate system and are also referred to below as A 'electrodes; the other pair of opposing electrodes 16, 20 lies with the longitudinal axes on the V-axis of the system; these electrodes are also referred to as V-electrodes. In theory, the electrodes should have a hyperbolic curvature in cross section for best results; in practice, however, it has been shown that a cylindrical cross-section means a very good currency value.

Innerhalb und im Bereich des einen Endes des Gehäuses 12 ist querverlaufend eine elektrisch leitende, zylindrische Platte 24 befestigt, die eine zentrale kreisförmige öffnung 25 hat, welche einen Ausgang für die Ionen bildet. Ebenfalls innerhalb und am Ende des Gehäuses 12 is; eine Kollektor-Elektrode 26 in Blickrichtung hinter der öffnung 25 vorgesehen, die über einen Isolator 27 am Gehäuse befestigt ist.Inside and in the area of one end of the housing 12 is transversely attached to an electrically conductive, cylindrical plate 24, which has a central circular opening 25, which forms an exit for the ions. Also inside and at the end the housing 12 is; a collector electrode 26 is provided behind the opening 25 in the viewing direction, which is attached to the housing via an insulator 27.

Im Betrieb des Filters 10 wird dieses mit Hilfe einerIn the operation of the filter 10, this is with the help of a

konventionellen Vakuumpumpe Π Α evakuiert, undconventional vacuum pump Π Α evacuated, and

zum Einfuhren gasförmiger Proben in das Gehäuse 12 dient eine Einlaßöffnung 2S. Dab Gas wird im Filter mit Hilfe eines Elektronenstrahlgenerators 29 ionisiert. Einige der im Gehäuse 12 entstehenden Ionen bewegen sich durch das Filter hindurch und treffen auf die Kollektor-Elektrode 26 auf. Zum Messen des Ionenstroms dient beispielsweise ein Meßinstrument 30, das den Spannungsabfall an einem Widerstand 31 mißt und einerseits an die Elektrode 26 sowie andererseits an Masse angeschlossen ist.for introducing gaseous samples into the housing 12 is an inlet port 2S. Dab gas is in the filter ionized with the aid of an electron beam generator 29. Some of the ions created in the housing 12 move through the filter and strike the collector electrode 26. To measure the Ion current is used, for example, by a measuring instrument 30 that measures the voltage drop across a resistor 31 measures and is connected on the one hand to the electrode 26 and on the other hand to ground.

Der Elektronenstrahlgenerator 29 einhält eine Kathode 32, die an einer Gleichstromquelle 33, beispie isweise einer Batterie liegt, deren anderes Ende mit Masse verbunden ist. Beide y-EIektroden 16,20 sind mit Bohrungen 34, 35 versehen, die in rechten Winkeln zur ientralen Achse Z verlaufen und fluchtend zueinander angeordnet sind. Die Kathode 32 liegt am äußeren Ende der Bohrung 34 der Elektrode 20 und ist so angeordnet, daß der von ihr ausgehende Elektronenstrahl 32/4 die Bohrungen 34 und 35 durchsetzt und auf eine Anode 36 auftrifft, die am äußeren Ende der Bohrung 35 der Elektrode 16 angeordnet ist. Die Anode 36 liegt an Masse, wodurch der Strompfad geschlossen ist. Zwischen der Kathode 32 und der Elektrode 20 ist ein Steuergitter 37 vorgesehen, das die Stärke des Elektronenstrahls zwischen Kathode 32 und Anode 36 während aufeinanderfolgender Perioden in der nachstehend noch beschriebenen Weise begrenzt.The electron beam generator 29 includes a cathode 32 which is connected to a direct current source 33, for example a battery, the other end of which is connected to ground. Both y-electrodes 16, 20 are provided with bores 34, 35 which run at right angles to the central axis Z and are arranged in alignment with one another. The cathode 32 is located at the outer end of the bore 34 of the electrode 20 and is arranged in such a way that the electron beam 32/4 emanating from it penetrates the bores 34 and 35 and strikes an anode 36 which is located at the outer end of the bore 35 of the electrode 16 is arranged. The anode 36 is connected to ground, as a result of which the current path is closed. A control grid 37 is provided between the cathode 32 and the electrode 20 and limits the strength of the electron beam between cathode 32 and anode 36 during successive periods in the manner to be described below.

Die Schaltung für die Stromversorgung des Filters ist in Fig. 2 gezeigt. Zum Versorgen der Elektroden 14, 18 und 16, 20 mit Wechselspannung dient ein Hochfrequenzgenerator 40, dessen Ausgangsspannung und Frequenz veränderbar ist. Die Elektroden 14,18 und 16,20 sind weiterhin an eine Gleichstromquelle 41, beispielsweise eine Batterie angeschlossen. Parallel zu der Reihenschaltung aus Hochfrequenzgenerator 40 und Gleichspannungsquelle 41 liegt ein Spannungsteiler 42, dessen Mittelabgriff geerdet ist. In Reihe mit dem Steuergitter 37 und dem Hochfre-The circuit for supplying power to the filter is shown in FIG. For supplying the electrodes 14, 18 and 16, 20 with alternating voltage is used by a high-frequency generator 40, the output voltage of which and frequency is changeable. The electrodes 14, 18 and 16, 20 are still connected to a direct current source 41, for example a battery connected. Parallel to the series connection of the high-frequency generator 40 and DC voltage source 41 is a voltage divider 42 whose center tap is grounded. In series with the control grid 37 and the high frequency

¹S quenzgenerator 40 liegt ein Rechteckgenerator 43, der Rechteckimpulse in richtiger Phasenlage mit Bezug auf den Ausgang des HF-Generators an das Steuergitter abgibt und dieses so vorspannt, daß der im Elektronenstrahlgenerator 29 erzeugte Elektronen ¹ sequence generator 40 is a square-wave generator 43 which emits square-wave pulses in the correct phase with respect to the output of the HF generator to the control grid and biases it so that the electrons generated in the electron beam generator 29

»o strahl bei jeder negativen Halbwelle der vom HF-Generator 40 an die y-Elektrodeη abgegebenen Wechselspannung unterbrochen wird. Würde der Elektronenstrahl während der negativen Halbwellen aufrechterhalten bleiben, würden die Elektronen quer»O radiates at every negative half-wave of the alternating voltage delivered by the HF generator 40 to the y-electrodeη. If the electron beam were to be maintained during the negative half-waves, the electrons would be transverse

»5 zur Richtung der Längsachse beschleunigt und dadurch gegen die Elektroden gelangen.»5 accelerated to the direction of the longitudinal axis and thereby get against the electrodes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electron impact ion source for a multipole mass filter with a plurality of elongated electrodes arranged around a central axis, the ion source being an electron beam generator has, the electron beam of which traverses the central axis perpendicularly, thereby ge characterized net that two of the elongated electrodes have aligned holes, through which the electron beam passes, and that the electron beam generator has a control grid has to which a control circuit for temporarily blocking the electron beam is connected is.

2. Electron impact ion source according to claim 1, wherein the electron beam generator has a cathode and an anode, characterized in that the cathode and the control grid on the one hand and the anode on the other hand on the side facing away from the central axis the electrodes provided with the bores are arranged.

3. Electric shock ion source according to claim 1 or 2, wherein the elongate electrodes to a AC power source are connected, characterized in that the control circuit with the AC power source is in communication.

4. electron impact ion source according to claim 3, characterized in that the control circuit supplies a square wave voltage, which the electron beam during one half-wave the AC power source locks.