Quadrupol-Massenspektrometer in den letzten 30 Jahren - Geschichte, Entwicklung, Zukunftstrends

 

Design, Ausstattung, Anwendungsbereiche: Viel getan hat sich bei den Quadrupol-Massenspektrometern (QMS) in den letzten 30 Jahren. Sie wurden kompakter, langlebiger, vielfältiger und digitaler. Zunächst vor allem in der Forschung verwendet, kommen QMS heute zum Beispiel in der Halbleiterindustrie, bei der Gefriertrocknung oder der Dichtheitsprüfung zum Einsatz.

Historischer Rückblick
Bei den ersten handelsüblichen Quadrupol-Massenspektrometern wurde das Steuergerät in ein 19-Zoll-Rack eingebaut und über Kabel mit dem Analysator sowie weiteren Baugruppen wie zum Beispiel einem Hochfrequenzgenerator verbunden. Abbildung 1 zeigt das zum Ende der 1980er Jahre gebräuchliche Quadrupol Steuergerät QMS 420. Die Bedienung dieses Geräts erfolgte entweder mithilfe des vierzeiligen LCD-Displays und der Tastatur komplett über das Steuergerät oder über eine PC-Software. Für die Kommunikation mit dem Rechner wurde eine serielle Schnittstelle (RS-232-C) genutzt, die Softkeys unter dem Display wurden kontextabhängig verwendet. Über Module war auch der Einsatz analoger und digitaler Ein- und Ausgänge möglich. Die Ausgabe der Messwerte konnte auch über einen Schreiber- oder Oszillographen-Kanal erfolgen.

Die damals verfügbare Software bestand aus verschiedenen Unterprogrammen, mit denen Messungen durchgeführt und das QMS eingestellt werden konnte. So musste zum Beispiel für das Durchführen einer Messung ein bestimmtes Unterprogramm geöffnet werden; wollte man sich die gespeicherten Messergebnisse später ansehen, musste in einen anderen Teil der Software gewechselt werden.

Abgelöst wurden diese ersten Massenspektrometer dann Anfang der 90er Jahre durch Kompakt-QMS für Massenbereiche bis 300 u. Anders als bei den bis dahin marktüblichen marktüblichen QMS befindet sich bei den Kompaktversionen die Elektronik direkt an der Vakuumdurchführung des Analysators. Dadurch kann auf zusätzliche, im Rack installierte Elektronik verzichtet werden. Die Elektronik eines kompakten QMS benötigt normalerweise nicht viel mehr Bauraum als der Analysator. Im Vergleich zu den QMS mit Rack-Elektronik waren die kompakten Versionen zudem relativ preiswert, dafür aber in der Performance, vor allem im Hinblick auf Empfindlichkeit, Nachweisgrenze und Messgeschwindigkeit, begrenzt.

Abbildung: Blick ins Innere des Kompakt-QMS PrismaPro von Pfeiffer Vacuum
Abbildung: Blick ins Innere des Kompakt-QMS PrismaPro von
Pfeiffer Vacuum

Solche Geräte sind vor allem für einfachere Aufgaben wie Restgasanalyse, Lecksuche oder Überwachung bestimmter Massen über einen definierten Zeitraum geeignet. Um den Analysator für Anwendungen im UHV auszuheizen, muss die Elektronik jedoch abgenommen werden.

Die Mehrzahl der auf dem Markt erhältlichen QMS war noch bis zur Mitte der 2000er Jahre mit serieller Schnittstelle ausgestattet. Der Betrieb von mehreren Geräten in einem Netzwerk und über eine Software – das sogenannte „Multiplexing“ – wurde zum Beispiel über ArcNet und Lichtleiter- Kabel umgesetzt. Später wurden dafür dann Geräte mit RS-485-, USB- oder Ethernet-Schnittstelle entwickelt. Ethernet ermöglicht die Integration einer Vielzahl von QMS in ein Büro- oder Fertigungsnetzwerk. Die drahtlose Kommunikation über WLAN ist natürlich ebenso möglich.

Lesen Sie mehr dazu im beigefügten Anwendungsbericht.

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