Wie funktioniert das Massenspektro-
meter in einem Helium-Lecksucher?
Frage: Wie funktioniert eigentlich das Massenspektrometer in einem Helium-Lecksucher?
Antwort: Die Abbildung weiter unten zeigt schematisch das Herzstück eines Helium-Lecksuchgeräts, die sogenannte Spektrometerzelle. Vom Einlassflansch des Lecksuchers werden die Gase bis in diese Spektrometerzelle geleitet. Dort werden die elektrisch neutralen Gasteilchen mit einem Elektronenstrahl mit hoher Energie beschossen (im Bild lila), der von einem Heizfaden bei hoher Temperatur erzeugt wird. Wird ein Elektron in der Hülle eines neutralen Gasteilchens getroffen, wird es aus der Elektronenhülle des Gasteilchens entfernt. Damit bleibt ein positiv geladenes Gasteilchen, ein "Ion" übrig. Diesen Vorgang nennt man "Elektronenstoß-Ionisation", der mit einem hohen Anteil der eingeführten Gasteilchen geschieht.
Die immer noch als Gemisch vorliegenden positiv geladenen Gasteilchen werden nun in einem elektrischen Feld beschleunigt (im Bild der Regenbogenstrahl nach oben).
Die gesamte Analysenzelle befindet sich in einem magnetischen Feld. In diesem magnetischen Feld werden die geladenen Gasteilchen nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis aufgetrennt. Meistens wurde nur ein Elektron entfernt, die Auftrennung ist also in erster Näherung nur von der Masse abhängig. Die unterschiedliche Masse der Gase aus dem Gemisch Luft plus dem Prüfgas Helium führt also zu einer Auftrennung des Gemischs in einzelne Strahlen. Leichte Gase beschreiben eine enge Kreisbahn, die Kreisbahn der schwereren Gase hat einen größeren Radius. Wasserstoff (als Atom Masse 1, als Molekül Masse 2) beschreibt also die engste Kreisbahn (im Bild blau). Die schweren Gasteilchen aus der Luft (v.a. Wasser Masse 18, Stickstoff Masse 28, Sauerstoff Masse 32, Kohledioxid Masse 44, Argon Masse 40) beschreiben eine weite Kreisbahn und prallen gegen eine geladene Platte.
Das Magnetfeld um die Spektrometerzelle ist konstant. Die oben genannte Beschleunigungsspannung wird nun so eingestellt, dass die Teilchen unseres Prüfgases Helium (im Bild grün) durch mehrere Blenden fliegen, bevor sie auf einen Signalverstärker treffen. Der Strom von Helium-Ionen ist ein Maß für den Partialdruck des Prüfgases im Vakuumsystem und damit die Leckrate des Prüfobjekts.
Ein Vakuumsystem wird benötigt, damit die Helium-Ionen vom Ort ihrer Erzeugung bis zum Detektor fliegen können. Bei Atmosphärendruck kann ein Helium-Ion ungefähr 0,2 µm weit fliegen, bevor es mit einem anderen Gasteilchen zusammenstößt. Beim maximalen Druck in der Spektrometerzelle von 10-4 mbar kann unser Helium-Ion immerhin rund 2 m weit fliegen. Nur so ist also sichergestellt, daß das Prüfgas ungehindert den Detektor erreicht.
Glossar
Elektronenstoß-Ionisation: Dies ist ein Spezialfall der Ionisation. Hier wird ein Elektronenstrahl mit hoher Energie auf ein neutrales Teilchen geschossen. Ein hochenergetisches Elektron aus dem Strahl trifft nun auf ein Elektron, das in der Hülle eines neutralen Atoms oder Moleküls chemisch gebunden ist. Dieses gebundene Elektron wird durch die hohe Energie des auftreffenden Teilchens aus der chemischen Bindung herausgeschossen. Es bleibt ein positiv geladenes Teilchen (Ion) zurück.
Heizfaden: Ein Heizfaden ist ein dünner Draht, der normalerweise aus einer hochschmelzenden Metall-Legierung (evtl. mit Beschichtung) besteht. Im Vakuum wird der Heizfaden durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht und sendet dabei Elektronen aus.
Ionisation: Als Ionisation wird der Vorgang bezeichnet, bei dem aus einem elektrisch neutralen Atom oder Molekül ein Elektron entfernt wird oder sich ein Elektron anlagert. Nachdem ein Elektron negativ geladen ist, bleiben bei Entfernung eines Elektrons positiv geladene Ionen übrig und bei Anlagerung eines Elektrons entstehen negativ geladene Ionen.
Massenspektrometer: Ein Massenspektrometer trennt ein Teilchengemisch nach seinem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis auf. Ist die Ladung immer 1, erfolgt die Trennung ausschließlich nach der Masse. Ein Massenspektrometer kann also eine Konzentrationsverteilung von Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Masse messen oder bei fester Einstellung auf eine Masse den zeitabhängigen Verlauf einer bestimmten Masse verfolgen. Letzteres geschieht in einem Helium-Lecksuchgeräts.
Spektrometer: Ein Spektrometer ist ein Gerät, das die Messwertverteilung einer bestimmten Messgröße anzeigt. Die Messgröße kann z. B. eine Wellenlänge oder eine Frequenz sein (Licht, Schall, …). Die Ausgabe eines Spektrometers besteht also in einem Meßschrieb, bei dem auf der x-Achse die Messgröße und auf der Y-Achse eine Intensität angezeigt wird.