Vorlesung Physikalische Meßtechnik B (SS 98)

Skriptum zur Vorlesung:
PHYSIKALISCHE MESSTECHNIK B
(Messgrößen)
Kapitel G:
Gas-Vakua: Messung und Erzeugung
Sommersemester 98
Universität Paderborn
Fachbereich 6 - Physik -
Einführung
2
G. GAS-VAKUA: MESSUNG UND ERZEUGUNG ....................................................3
I.
1.
2.
3.
Einführung..................................................................................................................................................3
Messgrößen ..............................................................................................................................................3
Einheiten und Normal ..............................................................................................................................3
Druck-Bereiche im Vakuum-Gebiet.........................................................................................................3
II.
1.
2.
Absolute Vakuum-Messgeräte ..................................................................................................................5
Direkte mechanische Vakuum-Messgeräte...............................................................................................5
Flüssigkeits-Vakuum-Messgeräte.............................................................................................................5
III.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Indirekte Vakuum-Messgeräte..............................................................................................................6
Wärmeleitungs-Manometer ......................................................................................................................6
Ionisations-Vakuummeter ........................................................................................................................9
Penning-Vakummeter...............................................................................................................................9
Glühkathoden-Vakummeter ...................................................................................................................10
Alphatron................................................................................................................................................13
Partialdruck-Messgeräte.........................................................................................................................13
Omegatron..............................................................................................................................................16
Quadrupol-Massenfilter..........................................................................................................................18
Dozent:
Prof.Dr.H.Ziegler
Protokoll:
Dr.H.Aulfes CH08
Kapitel G des Skriptums zur Vorlesung „Physikalische Messtechnik B“ SS 1998
Einführung
G.
3
GAS-VAKUA: MESSUNG UND ERZEUGUNG
I.
EINFÜHRUNG
1.
Messgrößen
Die Messgröße ist der Gasdruck, der viel kleiner als 1 bar ist. Die Kraftänderung ist bei Änderung dieser Drücke klein, so dass die bisherigen Druckmessmethoden (aus dem letzten Kapitel) hier nicht funktionieren. Es müssen andere indirekte Messverfahren verwendet werden.
Man unterscheidet den tatsächlichen Gesamtdruck von dem Partialdruck, der sich einstellt,
wenn das Restgas sich aus verschiedenen Teilgasen mit jeweils eigenem Druckbeitrag zusammensetzt.
Es gibt daher auch Messgeräte, die diese Partialdrücke messen.
2.
Einheiten und Normal
Die Einheit des Druckes ist das Pascal. Da diese Einheit sehr klein ist, "leben" die anderen
Einheiten noch weiter:
Ein Normal für Vakua ist sehr problematisch zu realisieren. Es gibt einige indirekte Verfahren, aber der Vergleich mit anderen Vakua gestaltet sich schwierig.
3.
Druck-Bereiche im Vakuum-Gebiet
Die Übersicht zeigt die Druckgebiete in der physikalischen und chemischen Grundlagenforschung:
Kapitel G des Skriptums zur Vorlesung „Physikalische Messtechnik B“ SS 1998
Einführung
4
Die nächste Tabelle zeigt Anwendungs-Druckbereiche der Industrie:
Kapitel G des Skriptums zur Vorlesung „Physikalische Messtechnik B“ SS 1998
Absolute Vakuum-Messgeräte
II.
1.
5
ABSOLUTE VAKUUM-MESSGERÄTE
Direkte mechanische Vakuum-Messgeräte
Sie beruhen auf die Kraft, die die Gasteilchen (Atome, Moleküle) wegen ihrer thermischen
Geschwindigkeit auf eine definierte Fläche ausüben. Die Anzeige dieser Messgeräte ist unabhängig von der Gasart. Die klassischen Druckmesser, die ja schon für größere Drücke im letzten Kapitel diskutiert wurden, können vom Prinzip her in einer verfeinerten Form auch für die
Messung von Vakua eingesetzt werden. Dazu gehören u.a. das Federvakuummeter, welches
im Aufbau weitgehend dem Bourdonmesswerk (s. Kap.G.Abschn.V) entspricht.
Die Membranen solcher Messgeräte reagieren sehr empfindlich auf Lufteinrüche, weil dann
schlagartig die Membran mit einem hohen Druckstoß konfrontiert wird. Abhilfe schaffen hier
Membran-Stützwände, die zu große Auslenkungen verhindern.
Obwohl mechanische Vakuummeter den Druck absolut messen, ist die Skalenanzeige gaskinetisch nicht berechenbar, und zwar wegen der komplizierten Übertragung durch Membranen,
Federn, Hebel u.s.w.. Daher ist eine Eichung notwendig. Normale sind nicht genau genug herstellbar, z.B. wegen der Adsorption des Gases an der Oberfläche des Messvolumens.
Am Federwerk (Membran, Feder) muß mechanische Arbeit geleistet werden, was als Bürde
die Messgröße verfälscht. Das Gerät muß ständig am Messbehälter angeschlossen sein.
Es treten große mechanische Kräfte an den Lagern auf. Es sind daher stabile Lager notwendig,
die eine gewisse Lagerreibung und damit Hysterese besitzen.
2.
Flüssigkeits-Vakuum-Messgeräte
Als erstes ist das klassische U-Rohr-Quecksilber-Manomometer zu nennen:
Abbildung G-1
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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Durch den Unterdruck wird die Quecksilbersäule bewegt. Solche Vakuummeter werden im
Grob- und Zwischenvakuumbereich eingesetzt, da sie dort die genauesten Geräte sind.
Eine Empfindlichkeits-Erhöhung verspricht das Schrägrohr-Manometer:
Abbildung G-2
Bei diesem ist die Membran größer, so dass bei kleinen Druckänderungen große Wegänderungen der Quecksilbersäule erreicht werden.
Wie alle Quecksilber-Sensoren haben auch diese das Problem der Giftigkeit, der Bruchgefahr
und der Baugröße.
Es besteht eine gewisse Nullpunktdrift durch Verdunstung der Messflüssigkeit.
Die Ablesegenauigkeit ist durch Kapillareffekte begrenzt.
Der Rezipient wird immer eine gewisse Gasmenge des Quecksilbers enthalten, da sich an dessen Oberfläche ein Gleichgewichtszustand einstellt. Dies hat zur Folge, dass ein perfektes Vakuum mit diesem Messgerät auf gar keinem Fall gemessen werden kann.
III.
1.
INDIREKTE VAKUUM-MESSGERÄTE
Wärmeleitungs-Manometer
Mit abnehmendem Druck wird die Teilchenzahldichte n kleiner und damit die mittlere freie
Weglänge λ der Gasatome zwischen zwei Stößen größer. Da die Wämeleitfähigkeit eine
Funktion der Teilchenzahldichte ist, läßt sich der Druck indirekt über die Teilchenzahldichte
n = N V messen. Die absolute Teilchenzahl N ist dabei proportional zum Druck und ist der
zweite Beitrag zur Wärmeleitung.
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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Die gesamte Wärmeleitfähigkeit ist damit proportional zu freien Weglänge mal der Teilchenzahldichte.
Nimmt der Druck zu, so nimmt die Teilchenzahldichte zu und die freie Weglänge umgekehrt
proportional ab. Daraus folgt: λ ⋅ P = const. bzw. die Wärmeleitfähigkeit hängt nicht vom
Druck ab.
Die Grenze bildet das Geometrie-Limit. Wird der Druck so klein, dass die freie Weglänge so
groß wird, dass sie mit den Abmessungen der wärmeführenden Teile vergleichbar wird, so ist
die Wärmeleitung druckabhängig. Man unterscheidet drei Druckbereiche, in denen die Wärmabfuhr auf verschieden Art und Weisen erfolgt.
Abbildung G-3
Bereich I : P < 10−3 mbar , λ ≈ r2
Wärmeabfuhr durch Strahlung und metallische Zuleitung. Wärmeleitung durch das Gas
spielt keine Rolle.
Bereich II: P = 10−3 mbar − 1mbar
Wärmeabfuhr wie im Bereich I, aber zusätzlich noch druckabhängige Wärmeleitung im
Gas.
Bereich III: P > 1mbar (Grobvakuum)
Wärmeabfuhr durch Strahlung und Konvektion, druckunabhängig.
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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Der mechanische Aufbau eines solchen Vakuummeter nach Pirani ist denkbar einfach: In einem Glaskolben ( Radius r2 ) befindet sich ein stromdurchflossener Draht (Radius r1 ). Die
durch den Strom erzeugte Wärme wird durch drei Mechanismen abgeführt:
• durch Strahlung (nur Temperaturabhängig)
• durch Leitung über die elektrischen Zuleitungen
• durch Wärmeleitung über das Gas
Die im Bereich II druckabhängige Wärmeabfuhr ergibt eine Temperaturänderung am Draht,
d.h. die Drahttemperatur ist eine Funktion des Druckes, die auf zwei verschiedenen Wegen
gemessen werden kann.
Bei dem klassischen Pirani-Vakuummeter wird die Temperatur indirekt über den Widerstand
des Drahtes gemessen. Das geschieht entweder über eine normale (ungeregelte) oder über eine
geregelte Wheatstone´sche Brückenschaltung. Bei der geregelten Brücke wird die Temperatur
am Draht konstant gehalten. Bei erhöhter Wärmeabgabe des Drahtes (Druck erhöht sich) wird
die Spannung erhöht, so dass die Brücke stets abgeglichen ist. Die Spannung am Draht ist nun
ein Maß für den Druck.
Bei dem thermoelektrischen Pirani wird die Temperatur des Glühfadens abhängig von der
Wärmeleitung und damit vom Druck direkt mit Thermoelementen gemessen:
Meßröhre
Vergleichsröhre
Abbildung G-4
Das Thermoelement mißt die Temperaturdifferenz zwischen dem Faden W1 einer Vergleichsröhre und den Faden W2 der Messröhre. Die angezeigte Thermospannung U Therm ist ein Maß
für den Druck in der Messröhre.
Weitere Bemerkungen zu den Pirani-Vakuummetern:
• Die Zeitkonstante ist relativ groß. Beim Einschalten und bei Druckänderungen muß zunächst der stationäre Gleichgewichtszustand abgewartet werden. Das gilt sowohl für die
Temperatur des Fadens als auch für das Vakuum in der Messröhre selber.
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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• Eine Überlastung kann auftreten, wenn bei abnehmendem Druck ständig elektrische Leistung zugeführt wird, die die Temperatur des Fadens erhöht. Durchbrennen des Fadens ist
möglich.
• Das Verfahren ist von der Gasart abhängig, da auch die Wärmeleitung vom Gas abhängt.
Eine Eichung wird meist für Stickstoff (N2) oder Luft durchgeführt. Werden dann andere
Gase gemessen, muß mittels Tabellen umgerechnet werden.
• Das klassische Verfahren ist von der Temperatur abhängig. Verändert sich die Außentemperatur, so wird sich auch die Gleichgewichtstemperatur ändern.
• Einsatz-Druckbereich für das geregelte Pirani: 10−3 − 10mbar
ungeregelte Pirani: 10−3 − 1013mbar
2.
Ionisations-Vakuummeter
Die Grundidee ist, die Teilchenzahl über den Strom zu bestimmen. Dazu wird das Restgas
ionisiert und in ein elektrisches Feld gebracht. Der sich dann einstellende Strom ist proportional der Teilchenzahl.
Die einzelnen Systeme unterscheiden sich nach der Art und Weise der Ionenbildung:
a) durch kalte (selbständige) Gasentladung bei hoher elektrischer Feldstärke: Penning Vakuummeter.
b) durch Stoß mit Elektronen aus einer Glühkathode: Glühkathoden-Vakuummeter.
c) durch Bestrahlung mit radioaktiven Teilchen z.B. α -Teilchen eines Radium-Präparates:
Alphatron.
3.
Penning-Vakuummeter
Dies ist ein Kaltkathoden-Ionisations-Vakuummeter. Zwischen zwei plattenförmigen Kathoden und einer ring- oder zylinderförmigen Anode brennt eine kalte, selbständige Gasentladung. Damit diese zündet müssen einige Ladungsträger vorhanden sein, was zufällig immer
der Fall ist.
Damit diese Gasentladung erhalten bleibt, muß die Zahl der Stöße zwischen den Elektronen
und Gasatomen hinreichend hoch sein. Dies wird durch ein Magnetfeld erreicht, welches die
Bahnen der Elektronen zu Spiralbahnen aufspult.
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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U ≈ 2KV
A
= ringförmige Anode
K1, K2 = plattenförmige Kathode
N, S
= Permanentmagnet mit B ~ 0,1T
Abbildung G-5
Auf diesem langen Spiralweg ionisieren die Elektronen die Gasatome bzw. Moleküle. Die positiv geladenen Ionen werden durch die Kathoden ( K1 , K2 ) gesammelt und bilden den Ionenstrom. Der so gemessene Strom ist ein Maß für die Teilchendichte n im Gas und damit für den
herrschenden Druck.
Die obere Druckgrenze liegt bei 10−2 mbar . Dies liegt daran, dass bei hohen Drucken die Elektronen wegen zu häufiger Kollisionen nicht mehr imstande sind, die nötige Ionisationsenergie aufzubauen.
Ein besonderes Problem beim Penning ist die Gasaufzehrung. Die positiven Ionen werden
zum Teil von den Kathoden festgehalten, wodurch sich der Gasdruck verringert. Das Penning
hat also durch den Messvorgang den Gasdruck erniedrigt.
Unter der Getterwirkung ist der Niederschlag verdampften Kathodenmaterials auf den Glaskolben zu verstehen.
Auch beim Penning besteht das Problem des Druckgefälles innerhalb des Rezipienten. Besonders bei Rohrleitung und Ecken können erhebliche Messfehler auftreten.
Günstig ist die Unempfindlichkeit gegen Gaseinbrüche, da bei hohem Druck lediglich die Gasentladung aufhört. Eine Zerstörung des Gerätes ist dabei nicht zu erwarten.
Der Messbereich liegt in der Größenordnung von 10−7 L10−2 mbar .
4.
Glühkathoden-Vakuummeter
Der Aufbau ist ähnlich einer Triode und besteht aus : Glühkathode, Gitter (hier Anode genannt) und Anode (hier Ionenfänger genannt):
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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Potentialverlauf zwischen K-A-IF
U /V
200
150
100
50
K
A
IF = Ionenfänger
K = sehr geringe Glühkatode
A = Anode
IF
Y
Abbildung G-6
Die von der Glühkathode (K) erzeugten Elektronen werden beschleunigt und nehmen aus dem
elektrischen Feld zwischen K und de Anode (A) Energie auf, um Gasatome ionisieren zu können. Die dadurch gebildeten positiven Ionen werden vom Ionenfänger (IF), der bezüglich K
und A negatives Potential besitzt, eingefangen. Die Elektronen werden aber letztendlich von
A eingefangen. Der positive Ionenstrom ist ein Maß für die Teilchendichte im Gas.
Der Vorteil liegt darin, dass nur der Strom der tatsächlich ionisierten Atome gemessen wird.
Abbildung G-7
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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Betrachtet man die obige Kennlinie, so stellt man fest, dass der angezeigte Druck langsam gegen einen Grenzwert läuft. Es wird also ein höherer Druck als tatsächlich vorhanden angezeigt. Der Grund dafür ist der auftretende Röntgeneffekt.
n der obigen Abbildung bedeuten:
I: Druckanzeige ohne Röntgeneffekt.
II: Durch Röntgeneffekt vorgetäuschte untere Druckgrenze
III:Summe von I und II.
Zum Röntgeneffekt: Beim Auftreffen der von K emittierten Elektronen auf A werden diese
stark abgebremst, wodurch eine (weiche) Röntgenstrahlung entsteht. Diese Röntgenstrahlung
trifft auf IF und löst dort Photoelektronen aus dem Material. Für die Bilanz des dort abgeführten positiven Ionenstromes wirkt dies wie ein auftreffendes positives Ion. Der Röntgeneffekt
erzeugt hier also ein konstanten Ionenstrom (s. Abbildung oben).
Auch hier gibt es das Problem der Gasdesorption. Adsorbierte (angelagerte) Gasatome können
durch Elektronenstoß desorbiert (gelöst, losgeschlagen) werden.
Diese desorbierten Gasatome werden durch die Elektronen ionisiert und erhöhen den positiven Ionenstrom am Ionenfänger IF. Daraus resultieren Falschmessungen. Abhilfe schafft ein
Ausheizen (temporäre Erhöhung des Elektronenstromes) bis A gereinigt ist.
Die beiden negativen Einflüsse von Röntgeneffekt und Ionendesorption können durch spezielle Konstruktionen der Elektroden weitgehend unterdrückt werden. Ein (hier aber nicht weiter
zu diskutierendes) Beispiel ist die Bayard-Alpert-Konfiguration.
Die Anzeige eines Ionisations-Vakuummeter ist gasartabhängig. Der Grund liegt in den unterschiedlichen Ionisationsenergien von Gasen. Bei Gasgemischen sind die einzelnen Komponenten nicht zu unterscheiden. Die Eichung erfolgt entweder mit Luft oder mit Stickstoff. Bei
allen anderen Gasen muß dann der abgelesene Druck mit einem Multiplikationsfaktor korrigiert werden:
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5.
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Alphatron
Hier geschieht die Ionisation mit Hilfe von Alpha-Strahlung, welche aus einem Radiumpräparat mit konstanter α -Aktivität stammt. Die α -Teilchen stoßen mit Gasatomen zusammen
und ionisieren diese. Die so gebildeten Ionen werden durch eine Elektrode abgesaugt. Der Ionenstrom ist eine Maß für die Teilchendichte n und daher für den Druck:
1 Radiumpräparat, 2 Ionenkollektor, 3 erste Verstärkerstufe, 4 weitere Verstärkerstufen
5 Anzeige-Instrument
Abbildung G-8
Der Messbereich liegt in der Größenordnung von 10−4 L 1000 mbar .
Da die ganzen Störeffekte des Glühkathoden-Vakuummeters hier nicht auftreten, ist die Linearität viel besser.
Allerdings ist auch dieses Messinstrument Gasart abhängig wegen den verschiedenen Ionisationsenergien von Gasen.
6.
Partialdruck-Messgeräte
Bei den bisherigen Verfahren wurde der Gasdruck gemessen ohne eine Möglichkeit zur Identifizierung des Gases zu haben. Das Partialdruck-Konzept versucht die einzelnen Druckkomponenten eines Gasgemisches einzeln zu messen, um daraus dann den gesamten Druck zu bestimmen:
Pges = ∑ Pi
Pi = Partialdruck der i. ten Gaskomponente
Der Vorgang wird daher in Analyse und Messung unterteilt.
Da die einzelnen Gase sich durch ihre molaren Massen voneinander unterscheiden, läßt sich
die Analyse durch ein Massenspektrometer realisieren.
Dazu werden die Atome des Gases zunächst ionisiert und dann beschleunigt. Diese bewegen
sich dann mit einer gewissen Geschwindigkeit und werden durch elektrische und magnetische
Felder abgelenkt.
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Stehen die elektrischen und die magnetischen Feldlinien senkrecht aufeinander ( E ⊥ B ) (s.
nächste Abbildung), so wird die elektrische Kraft Fel = Q ⋅ E die Ionen nach links ablenken
und die magnetische Kraft F magn = Q ⋅ v × B nach rechts.
Nur solche Ionen gelangen durch die Blende, die keine Ablenkung erfahren haben. Das ist genau dann der Fall, wenn die Beträge der elektrischen und der magnetischen Kraft gleich sind:
F el = F magn
Abbildung G-9
Oder: Q ⋅ E = Q ⋅ v ⋅ B und daraus:
v=
E
B
D.h. dass nur Ionen mit dieser einen Geschwindigkeit können durch die Blende gelangen und
damit ausselektiert werden. Diese Selektionsgleichung ist von der Masse unabhängig.
Als nächstes kann dieser Ionenstrom nach seinen (masseabhängigen) Impulsen selektiert werden. Dazu wird der Ionenstrahl in ein homogenes magnetisches Feld B so eingeführt, dass
v ⊥ B ist (s. nächste Abbildung). Nach den hier wirkenden magnetischen Kräften (LorentzKapitel G des Skriptums zur Vorlesung „Physikalische Messtechnik B“ SS 1998
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Kraft) wird das Ion auf eine kreisförmige Bahn gelenkt, deren Radius sich errechnen läßt,
wenn man die magnetische Kraft mit der Zentrifugalkraft gleichsetzt:
F Lorentz = F Zentrifugal
Abbildung G-10
m ⋅ v2
Q⋅v ⋅ B =
r
das ist die Zyklotrongleichung, daraus folgt:
r=
m⋅v
Q⋅ B
d.h. der sich einstellende Radius hängt vom Impuls, Ladung und Magnetfeld ab. Die einzige
Variable in dieser Anordnung ist aber die Masse m, so dass hier eine Massen-Selektion stattfindet.
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Der Aufbau eines einfachen Massenspektrometers geschieht in der Weise, dass die oben Geschwindigkeits- und Impuls-Selektion hintereinander geschaltet werden. Ein Detektor kann an
einem bestimmten Radius die dort auftreffenden Ionen zählen bzw. deren Strom messen (s.
nächste Abbildung).
Abbildung G-11
Teilchen unterschiedlicher Masse erscheinen an unterschiedlichen Stellen. Ist S4 ein beweglicher Schlitten, auf dem der Detektor angebracht ist, so lassen sich alle vorkommenden Gase
mit unterschiedlichen Massen durchmessen.
Neben diesem einfachen Massen-Spektrometer existieren noch kompliziertere Anordnungen,
die eine bessere Fokussierung und höhere Auflösung besitzen.
7.
Omegatron
Das Omegatron arbeitet im Prinzip wie ein kleines Zyklotron. Es besteht im Wesentlichen
aus:
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• zwei D-förmigen Hohlelektroden, an denen eine hochfrequente Wechselspannung liegt.
• und einem senkrecht dazu angeordneten Polpaar zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes.
Abbildung G-12
Die Abbildung zeigt ein Zyklotron, welches zur Beschleunigung schwerer, geladener Teilchen, z.B. α -Teilchen, Protonen, Deuteronen dient.
Das Gas wird in der Mitte (S) durch Elektronenbeschuß ionisiert. Die erzeugten schweren Ionen bewegen sich unter dem Einfuß der beiden Felder auf spiralförmigen Bahnen. Aber nur
diejenigen Ionen, deren Q/m-Wert der eingestellten Wechselfrequenz nach der Zyklotrongleichung:
ω=
Q
⋅B
m
entsprechen, laufen auf immer größer werdenden Spiralbahnen nach außen, wo sie dann auf
einer Auffangelektrode einen Ionenstrom induzieren.
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Das Massenspektrum wird durch Variation der Frequenz aufgenommen, wobei jede Frequenz
einer Masse entspricht.
Beispielrechnung für Wasserstoff:
m H 2 = 2 ⋅ 1836 ⋅ m0 ; mit m0 =Elektronenmasse.
Es sollen einfach ionisierte H 2+ -Ionen vorliegen.
Magnetfeld B = 0,4 T (typischer Wert für das Magnetfeld)
f =
Q⋅ B
e0 ⋅ B
=
= 3,05 MHz
2π ⋅ mH2 2π ⋅ 2 ⋅ 1836 ⋅ m0
Der Massenzahl 2 entspricht also eine Frequenz von ca. 3 MHz.
Der Druckbereich geht bis weit in das Ultra-Hoch-Vakuum-Gebiet: 10−5 L 10−11 mbar .
Ein Beispielspektrum, welches mit einem Omegatron aufgenommen wurde, zeigt die nächste
Abbildung:
Abbildung G-13
Es verdeutlicht die ausgezeichnete Auflösung dieses Messverfahrens. Anwesend sind die Gase Propan, Äthan, Methan, deren Dissoziationsprodukte, sowie N 2 und O 2 .
Es ist also eine viel detailliertere Aussage über das vorliegende Vakuum möglich.
Der Aufwand zum Betrieb eines Omegatrons ist allerdings relativ groß, was hauptsächlich auf
die Größe des Magneten zurückzuführen ist.
8.
Quadrupol-Massenfilter
Hier ist die Idee statt der umständlich zu erzeugenden Magnetfelder nur elektrische Gleichund Wechselfelder zu benutzen.
Eine Überlagerung von Gleich- und Wechselspannungen an den über Kreuz verbundenen vier
parabelförmigen Elektroden ergeben ein Hochfrequenzfeld im Innern. Diesem wird ein
Gleichfeld überlagert. Nur Teilchen bestimmter Masse und Energie gelangen bei gegebener
Geometrie und Frequenz durch das Filter:
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Abbildung G-14
Die Abbildung zeigt das Schema eines Qudrupol-Massenfilters. Der in z-Richtung fliegende
Ionenstrahl wird durch eine hochfrequente Wechselspannung abgelenkt. Damit er das Filter
unabgelenkt durchlaufen kann, muß eine bestimmte Beziehung zwischen e/m, der Frequenz
ω und den Ablenkspannungen U und V erfüllt sein.
Der Massen-Messbereich liegt bei 1-200 Atommassen. Der Druck-Messbereich liegt in der
Größenordnung von10−11 L10−13 mbar , wobei der maximal zulässige Druck ( Pges ) bei
4 ⋅ 10−3 mbar liegt.
Eine Beispielkurve zeigt die nächste Abbildung:
Abbildung G-15
Da Partialdruckmessgeräte auf der Basis von Massenspektrometern nach relativen Massenzahlen sortieren, sind sie nicht in der Lage, Ionen unterschiedlicher Gase mit gleicher Massenzahl zu unterscheiden. Man hat es also mit einer Mehrdeutigkeit der Massenzahlen zu tun.
Um diese Mehrdeutigkeiten zu verhindern müssen immer Plausibilitätsüberprüfungen des
Messergebnisses stattfinden.
Beispiel:
CO + - und N 2+ -Ionen haben beide die Massenzahl M=28.
Unterschieden werden können sie im Spektrum nur durch eine kritische Analyse:
• Ist noch zusätzlich Luft im Reziptienten (z.B. durch ein Leck) würde neben N 2+ auch O 2+
(M=32) mit einem Anteil von 5:1 vorhanden sein.
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Indirekte Vakuum-Messgeräte
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• Ist kein Sauerstoff vorhanden, deutet ein Peak bei M=28 auf CO + hin. In diesem Fall tritt
aber immer zusätzlich die Massenzahl M=44 für CO 2+ auf.
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