6.2.1 Funktionsweise
Die Funktionsweise des Sektorfeld-Massenspektrometers ist in Abbildung 6.3 dargestellt.
Abbildung 6.3: Funktion des 180° Sektorfeld-Massenspektrometers
Neutrale Gasteilchen werden in einer Ionenquelle durch Elektronenbeschuss ionisiert (Abbildung 6.4 a). Die so erzeugten Ionen der Masse $m$ mit der Ladung $q$ durchlaufen ein Potentialgefälle $U$ in Richtung des magnetischen Sektorfeldes und nehmen damit die kinetische Energie
\[E_{kin} = q \cdot U =\frac{m \cdot v^2}{2}\]
Formel 6-1: kinetische Energie
auf, d. h. sie durchlaufen das Sektorfeld mit der
Geschwindigkeit $v=\sqrt{\frac{2qU}{m}}$. Bei gleicher Ladung hängt die Geschwindigkeit und damit die Zeit, um eine gegebene Strecke zu passieren, von der Masse ab. Dies wird im Flugzeit-Massenspektrometer direkt zur Massentrennung genutzt. Im Sektorfeld-Massenspektrometer beschreiben die Ionen im homogenen Magnetfeld eine Kreisbahn, hervorgerufen durch die Lorentzkraft, die auf die bewegten Ionen senkrecht zur Geschwindigkeit und senkrecht zum Magnetfeld wirkt:
\[F=q \cdot v \cdot B \]
Formel 6-2: Lorentzkraft
Auf der Kreisbahn mit dem Radius r ist die Lorentzkraft gleich der Zentripetalkraft:
\[q \cdot v \cdot B = m \cdot v^2 / r\]
Formel 6-3: Kräftegleichheit
Hieraus berechnet man den Bahnradius zu
\[r=\frac{m \cdot v}{q \cdot B} \mbox{und mit der Formel 6.1} r=\sqrt{\frac{2mU}{qB^2}}\]
Formel 6-4: Bahnradius
Die für Lecktestgeräte verwendeten Sektorfeld-Massenspektrometer sind mit einem Dauermagneten bestückt, der ein konstantes Magnetfeld liefert, in Abbildung 6.3 senkrecht zur Bildebene. Die Spektrometer sind so abgestimmt, dass die Flugbahn von einfach geladenen Heliumionen zunächst durch eine Blende und dann durch den Austrittsspalt auf den Detektor trifft. Alle anderen Teilchen können das Blendensystem nicht passieren und werden wieder neutralisiert. Der vom Detektor gemessene Ionenstrom für Helium ist proportional zum Heliumpartialdruck. Wie aus Formel 6-4 ersichtlich, kann der Bahnradius über die Beschleunigungsspannung $U$ variiert werden. In der Praxis beschränkt man sich darauf, außer 4Helium noch Ionen mit dem $m/e$-Verhältnis 2 und 3 auf den Austrittsspalt zu lenken und damit die Gase Wasserstoff and 3He nachzuweisen.
Um eine hohe Nachweisempfindlichkeit des Prüfgases Helium bei der Lecksuche zu erzielen, muss das Sektorfeld-Massenspektrometer mit einem empfindlichen Detektor ausgestattet sein. Ein einfacher metallischer Auffänger (Faraday-Cub) genügt heutigen Anforderungen nicht mehr, daher werden in modernen Lecktestgeräten Mikrokanalplatten (Micro Channel Plates) eingesetzt, die bei hohen Verstärkungen und geringem Rauschen eine äußerst kompakte Bauform aufweisen. Die beidseitig metallisierten, aus Glas gefertigten Mikrokanalplatten weisen eine große Zahl feiner Kanäle auf, die gegenüber den Stirnflächen leicht geneigt sind (Abbildung 6.4b) und auf ihrer Innenfläche eine Beschichtung aufweisen. Trifft ein Ion auf diese Fläche auf, so wird eine Kaskade von Sekundärelektronen ausgelöst, die infolge der über der Platte anliegenden Spannung zum Detektor beschleunigt werden.
Abbildung 6.4: Sektorfeldmassenspektrometer: (a) Ionenquelle, (b) Detektor
Nach Formel 6-4 ist der Bahnradius umgekehrt proportional zum Magnetfeld. Die verfügbaren Materialien für Permanentmagnete setzen der Magnetfeldstärke eine Grenze. Das führt bei den Helium-Spektrometern zu typischen Bahnradien in der Größenordnung 10 cm. Damit die Flugbahnen der Ionen nicht durch Stöße gestört werden, muss die mittlere freie Weglänge von etwa gleicher Größe sein. Daher beträgt der maximale dauerhafte Betriebsdruck für Helium-Sektorfeld-Massenspektrometer etwa 10-5 hPa.
