Sektor-Massenspektrometer

Grundlagen:

die Bahn geladener Teilchen wird durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt. Während diese Ablenkung bei elektrischen Feldern nur von der Ladung und Energie der Teilchen abhängt, wird die Ablenkung im magnetischem Feld durch die Ladung, Energie und die Masse des Teilchens bestimmt. Diesen Umstand verwendeten Thomson, Dempster und Aston zum Bau von Massenspektrometern. Diese Geräte erlauben die Analyse von Proben auf ihre Bestandteile. Aber nicht nur die verschiedenen Elemente können bestimmt werden sondern auch deren Isotope die sich durch ihr Atomgewicht unterscheiden.

Wenn man Zahlenwerte in die Gleichung einsetzt erhält man für die Atomare Massen Einheit die rechte Kurve. Mit einem Magnetfeld von 300 mT und einer Beschleunigungsspannung von 100 Volt beträgt der Radius eines einfach geladenen Natriumions 2,3 cm, der eines Kaliumions 3,1 cm. Umgekehrt kann man auch durch Ändern der Geschwindigkeit verschiedene Massen auf den gleichem Radius bringen. Durch Veränderung der Beschleunigungsspannung der Ionenquelle kann somit ein Massenspektrum durchgefahren werden.

Ein einfach nach zu bauendes Massenspektrometer beschreibt J.W. Dewdney im American Journal of Physics 1963. Das Spektrometer wurde aus Flanschteilen und einem Alublock aufgebaut. Zur Erzeugung des Ablenkfeldes wurden Scheibenmagnete (NdFeB N42) auf zwei Eisenpolschuhe aufgebracht. Mit jeweils 5 Scheiben wurde im Ablenkspalt ein Feld von 220 mT erreicht. Damit sollte der Nachweis von Ionen bis zur Masse 100 AMU möglich sein.

Zur Erzeugung der Beschleunigungsspannung wurde der
>>HV-Verstärker<< des Messeinschubs verwendet. Dieser Verstärker wird durch einen 12 Bit DA-Wandler >> Arduinoboard << angesteuert.
Der am Kollektor autretende Ionenstrom wird mit einem
>> Elektrometer-Verstärker<< verstärkt und mit einem 12 Bit AD-Wandler ebenfalls auf dem Arduino Board gemessen. 10Volt am ADC entsprechen einem Eingangsstrom von 500 pA.

Zum Test des Spektrometers wurde eine >>thermische IonenQuelle<< verwendet. Als Materialien standen Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Rubidiumchlorid und Bariumchlorid zur Verfügung. Die Messungen zeigen deutlich die Linien der Metalle, allerdings konnten einzelne Isotope nicht aufgelöst werden. Die Positionen der Linien stimmen gut mit der berechneten Kurve überein.


Das leider niedrige Magnetfeld schränkt den Bereich des Spektrometer zu hohen Massen ein und ebenso ist durch die thermische Ionenquelle die Anzahl der möglichen zu untersuchenden Elementen begrenzt.

Mit einer anderen Ionenquelle, der >Elektronenstoß-Quelle< , können weitere Elemente, vor allem Gase getestet werden.

Erst wurde der Hintergrund gemessen und dann über ein Nadelventil etwas Helium (Ballongas) in die Kammer geleitet. Während der Helium-Peak genau an der zu erwarteten Stelle erscheint ist die Herkunft des Restgas-Peaks nicht geklärt. Er würde einer Masse von 11 AMU entsprechen. Wahrscheinlicher ist aber 14,16,17 oder 18 (N⁺,O⁺,O⁺,H₂O⁺). Auch schwerer Wasserstoff lässt sich leicht nachweisen. Die Emission der Glühlampe betrug 100 µA.
Mit einer fest eingestellten Anodenspannung von 221V läßt sich das Spektrometer auch als Heliumlecksucher verwenden. Dazu sollte aber die Heizung der Glühlampe mit einer Regelschaltung stabilsiert werden, da sich die Emission auch mit dem Gasdruck ändert.