%% Versuchsbeschreibung zur Massenspektrometrie
%%
%%  Author: Ch. Linke
%% Kontakt: linke@uni-wuppertal.de 
%%
%% verantwortlich bis: Juli 2011
%%
%%
%
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                \begin{minipage}[t]{6cm}\sloppy}
\newcommand\exb{\end{minipage}\kern 2cm\begin{minipage}[t]{8cm}\sloppy }
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\newcommand\oben[1]{\begin{center}\begin{minipage}{#1}\medskip\begin{footnotesize}}
\newcommand\unten  {\end{footnotesize} \end{minipage}\end{center}}


\newcommand\signpic{\nopagebreak \begin{flushleft}\smallskip \nopagebreak
                \begin{minipage}[t]{1cm}\sloppy}
\newcommand\signtext{\end{minipage}\kern 1cm\begin{minipage}[t]{.75\textwidth}\sloppy }
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%%%%%%%%%%% einige Abkürzungen

\newcommand\mA{\mbox{mA}}
\newcommand\dM{\Delta\mbox{M}}
\newcommand\mbar{\mbox{mbar}}
\newcommand{\iso}[2]{\mbox{$^{\tiny{#2}}${#1}}}



%%%%%%%%%%%  HEADER  %%%%%%%%%%%%%%%%%%
%\lhead[]{\includegraphics[height=0.7cm]{buw_loewe}\sf{~FP16  --
%Massenspektrometrie}\hfill Seite \thepage ~von \pageref{LastPage}}
%\chead{{\scriptsize \sf{\today}}}
\lhead[]{\includegraphics[height=0.3cm]{buw_loewe_green}\sf{~FP16  --
    Massenspektrometrie}\hfill Seite \thepage}
\chead{}
\rhead{}
\cfoot{} %% loescht die Seitenzahl in der Fusszeile!



%%%%%%%%%%% enumerate umdefinieren %%%%%%%%%%%%%%%%555
\renewcommand{\labelenumi}{\alph{enumi})}

%%%%%%%%%%% Tabellenzeilenabstand hoch %%%%%%%%%%%%%
\renewcommand{\arraystretch}{1.4}

% Um dieses Document sowohl fuer latex als auch fuer pdflatex
% kompatibel zu machen, definieren wir uns die Variable ifpdf
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%  \ifx\pdfoutput\undefined
%     \pdffalse                    % we are not running PDFLaTeX
%  \else
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%  \fi

%  % fuer Encapsulated-Postscript und PDFTeX Grafiken
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%  \fi




\begin{document}
%
% ---- TITELSEITE ---------------------------------------------------
\thispagestyle{empty}
\definecolor{wuppertalgreen1}{RGB}{128,195,066}
\noindent
\colorbox{wuppertalgreen1}{%
        \begin{minipage}[c][1.75cm][c]{\textwidth}
          \textcolor{white}{%
            \begin{tabular}{>{\Huge\centering}m{.7\textwidth}m{.25\textwidth}}
              \textsf{FP 16 -- Massenspektrometrie} & %
              \hfill\includegraphics[height=1cm]{Logo_BUW-GruenHG}%
            \end{tabular}%
          }
        \end{minipage}
}
\vspace{2cm}\\~\\%
%
\begin{center}
{\Large{Versuchsanleitung im Fortgeschrittenenpraktikum Physik}}\\
\vspace{1cm}~\\
\includegraphics{image002}
\vspace{3cm}~\\
\end{center}
\enlargethispage{\baselineskip}
\begin{tabular}{>{\hfill}p{.6\textwidth}l}
~ & \textbf{Angewandte Physik}\\
~ &  FP 16 -- Massenspektrometrie\\
Versuchsraum & D.11.16a\\
~ & ~ \\
Betreuer & Marcel vom Scheidt\\
~ & Raum D.07.06 / Tel.: 3504 \\
~ & \textsf{vomscheidt@uni-wuppertal.de}\\
~ & ~ \\
techn. Betreuer & Jürgen Broda\\
~ & Raum G.11.07a / Tel.: 2804\\
~ & ~ \\
~ & ~ \\
Version & \today\\
\end{tabular}
\vfill
\newpage
%
%
%
% ---- ZIELSETZUNG --------------------------------------------------
\section{Zielsetzung des Versuchs}
Massenspektrometer sind in weiten Teilen von Forschung und Industrie einen
Grundstein der Prozessanalytik und -überwachung. So unterschiedlich
der Aufbau und Einsatz verschiedener Typen von Massenspektrometern
auch sein mag, so haben sie doch alle ein sie einendes Messprinzip:
Alle Massenspektrometer ionisieren ihr Analyt und trennen dieses nach dem
Masse-zu-Ladungsverhältnis $(m/z)$ auf. Auch der dreigliedrige
Grundaufbau ist immer gleich. Ein Massenspektrometer besteht aus einer
Ionenquelle, dem Massenanalysator und einem Detektor, welche unter
Hochvakuumbedingungen betrieben werden.\\~\\
%
Wolfang Paul war in den 1950er Jahren maßgeblich an der Entwicklung
des Quadrupol-Massenfilters beteiligt. Seine Leistungen und die
Beiträge von Norman F. Ramsey und Hans G. Dehmelt wurden 1989 mit dem
Nobelpreis für Physik gewürdigt (siehe \lbrack 4\rbrack). \\~\\ ~\\
%
Dieser Versuch soll Sie mit Analysemethoden in der Massenspektrometrie
vertraut machen. Sie arbeiten dabei mit einem
Quadrupol-Massenspektrometer und werden die aufgenommen Spektren
physikalische interpretieren. 
%
%
%
% ---- VORKENNTNISSE ------------------------------------------------
\vspace{1.8cm}
\section{Erforderliche Vorkenntnisse}
Überlegen Sie sich im Vorfeld wie das zu messende Massenspektrum von
Luft auszusehen hat.\\~\\
Konzentrieren Sie sich in Ihrer Vorbereitung auf folgenden Themenbereiche:
%
\begin{enumerate}
\newlength{\olditemsep}
\setlength{\olditemsep}{\itemsep}
\setlength{\itemsep}{.6cm}
\item Prinzip der Massentrennung bei verschiedenen Typen von Massenspektrometern
%
\item Grundkenntnisse zum lonisationsvorgang bei Elektronenstoß von Atomen und
Molekülen,\\ Dissoziation, Ionen-Molekül-Reaktionen
%
\item Aufbau und charakteristische Eigenschaften des
  Quadrupol-Massenspektrometers,\\ Ionenflugbahn,\\
  Mathieusche Differentialgleichung,\\ Auflösung in 10\%-Tal-Definition
%
\item Zusammensetzung der Atmosphäre,\\ Massenzahlen und
  Ionenbruchstückverteilung (Cracking Pattern) einzelner
  Bestandteile
%
\item Kinetische Gastheorie,\\ Grundlagen der Vakuumtechnik und Druckmessung
%
\end{enumerate}
%
\vfill
%
\definecolor{dunkelgrau}{gray}{0.55}
\definecolor{hellgrau}{gray}{0.85}
\setlength{\fboxrule}{1.5pt}
\fcolorbox{dunkelgrau}{hellgrau}{%
  \begin{minipage}[c][1.5cm][c]{\textwidth}
    \centerline{Bringen Sie am Versuchstag einen USB-Stick mit, auf
      dem Sie Ihre Messdaten speichern können.}
  \end{minipage}
}
\newpage
%
%
% ---- LITERATUR ----------------------------------------------------
\section{Literaturhinweise}
Die hier angegebenen Verweise bilden nur einen sehr geringen
Teil der umfangreichen Literatursammlung zur Massenspektrometrie ab
und sollen Ihnen lediglich als Orientierung dienen.\\~\\
Zugang zu den Zeitschriftenartikeln ist mit zugehöriger IP aus dem Campusnetz der BUW
möglich. Die Zitate \lbrack 1\rbrack, \lbrack 6\rbrack\, und \lbrack
7\rbrack~ liegen passwortgeschützt auf den FP-Seiten.\\~\\
Sehr empfehlenswert ist die NIST-Datenbank \lbrack 12\rbrack.
Dort finden Sie u.a. Massenspektren und Ionisierungsenergien von einzelnen Spezies.
\renewcommand{\labelenumi}{\lbrack\theenumi\rbrack}
%
\vspace{1cm}
\begin{enumerate}
\setlength{\itemsep}{.6cm}
% [1]
\item Leybold-Heraeus, \textit{Theoretische Grundlagen der
    Quadrupol-Massenspektrometrie} 
%
% [2]
\item  W. Paul, H.P. Reinhard und U. von Zahn, 
\textit{Das elektrische Massenfilter als Massenspektrometer und
  Isotopentrenner}, Zeitschrift für Physik, Band 152 (1958), Seite 143-147
%
% [3]
\item W. Paul und M. Raether, \textit{Das elektrische Massenfilter},
Zeitschrift für Physik, Band 140 (1955), Seite 262-273
%
% [4]
\item  W. Paul, \textit{Elektromagnetische Käfige für geladene und
    neutrale Teilchen}\\ Nobel-Vortrag von Wolfgang Paul, Stockholm 1989\\
%Physikalische Blätter 46 (1990), Nr. 7, Seite 227-236\\
Angewandte Chemie, Vol.102 Iss.7 (1990), Seite 780-789
%
% [5]
\item J.H. Gross, \textit{Mass Spectrometry -- A Textbook}, Springer,
  Berlin Heidelberg (2004)
%
% [6]
\item Hiden Analytical, Auszüge aus der \textsf{MASsoft} Gebrauchsanweisung
zum Massenspektrometer\\ \textsf{HAL 7 RC RGA 100}
%
% [7]
\item Micromass, \textit{Mass Spectrometer partial pressure
  gauge}
%
% [8]
\item  Demtröder, \textit{Experimentalphysik 3 -- Atome, Moleküle und
    Festkörper}, Springer, Berlin Heidelberg (2005) 
%
% [9]  
\item H. Budzikiewicz, \textit{Massenspektrometrie}, Wiley-VCH, Weinheim (2005)
%
% [10]
\item K. Treml, \textit{Isotopentrennung 1.Teil: Klassische
    Methoden}, Physik in unserer Zeit, Vol.6 Iss.4 (1975), Seite 110-117 
%
% [11]
\item  M. Wutz, \textit{Theorie und Praxis der Vakuumtechnik}, Vieweg-Verlag
      Braunschweig (1992)
%
% [12]
\item National Institute of Standards and Technology (NIST), \texttt{http://webbook.nist.gov/chemistry/}
\end{enumerate}
%
%
%
% ---- AUFBAU -------------------------------------------------------
\section{Versuchsaufbau}
\oben{15cm}
\begin{center}
\includegraphics[height=17cm]{aufbau}
\end{center}
\unten
%
{\flushleft{\textbf{Abbildung 1:} \textsl{Schematischer Aufbau des
      Pumpenstandes mit angeschlossenen Vakuumpumpen (1, 2), Vakuummetern (8, 9, 10)
      und Massenspektrometer (11).\\}}}
\exa
\hspace{1cm}
\begin{tabular}{rp{5cm}}
1 & Drehschieberpumpe \\
%
2 & Turbomolekularpumpe\\
%
3 & Hochvakuumventil V1\\
%
4 & Hochvakuumventil V2\\
%
5 & Dosierventil\\
%
6 & Belüftungsventil für die \newline Turbomolekularpumpe V3\\
%
7 & Adsorptionsfalle
\end{tabular}
%
\exb
\begin{tabular}{rp{5cm}}
8 & Wärmeleitvakuummeter \newline\textsf{THERMOVAC}\\
%
9 & Wärmeleitvakuummeter \newline\textsf{THERMOVAC}\\
%
10 & Ionisationsvakuummeter \newline\textsf{PENNINGVAC}\\
%
11 & Massenspektrometer \newline\textsf{HAL 7 RC RGA 100}\\
%
12 & Messanordnung \newline (Rezipient)
\end{tabular}
\exc
%
%
% ---- ALLG. HINWEISE -----------------------------------------------
\section{Allgemeine Hinweise}
Vertrauen Sie nicht darauf, dass Sie \textsl{alle nötigen}
Einstellungen und Paramter \textsl{irgendwann} in den gespeicherten
Dateien wiederfinden. Notieren Sie sich stets alle wichtigen
Einstellungen wie Massenbereich, Schrittweite (\textit{samples per
  amu}), (automatischer) Detektionsbereich (\textit{acquisition
  range}), Dateiname, \dots~. \\~\\
Ein Massenspektrometer misst \underline{immer} ein
Masse-zu-Ladungsverhältnis $m/z$, obwohl man umgangssprachlich auch
von gemessenen Massen spricht.\\~\\
Beachten Sie auch, dass weder die in der Software verwendeten Einheiten amu
und Torr noch die Druckanzeige des \textsf{COMBIVAC} SI Einheiten darstellen.\\~\\
%
%
\subsection*{Das Massenspektrometer}\label{qmshinweise}
Das im Prakikum verwendete Quadrupol-Massenspektrometer ist das \textsf{HAL 7 RC
  RGA 100} der Firma Hiden Analytical, Warrington, England. Der
Messbereich\footnote{genaugenommen liegt der niedrigste Wert bei 0,4
  $m/z$} dieses Instruments beträgt 0 -- 100~$m/z$. 
Die Ansteuerung erfolgt über die \textsf{MASsoft} Oberfläche. Machen Sie
sich bereits vor dem Versuch mit der Software vertraut \lbrack
6\rbrack. Schalten Sie vor dem Start von \textsf{MASsoft} zunächst den
Steuerungskasten des Massenspektrometers ein und warten Sie auf ein
akustisches Bestätigungssignal.\\~\\
Möchten Sie sich während der Versuchsdurchführung einen schnellen
Überblick über ein Massenspektrum verschaffen, so wählen Sie den Bar
Modus. Hier können Sie die automatische Bereichsregelung und das
kontinuierliche scannen aktiviert lassen. Bei den anderen Scans
empfiehlt es sich, diese Parameter zu deaktivieren. Solche Scans
werden in der Regel im Profil Modus durchgeführt. Ausnahmen bilden
hierbei die Messungen zum Ionisationspotential (Map Modus) und
Druckabfall (MID Modus). \\~\\
%
Sollte das detektierte Massenspektrum zu stark verrauscht sein, dann
kann dies mehrere Ursachen haben. Überprüfen Sie den eingestellten
Detektionsbereich und ggf. die Zeitangaben \textit{Dwell} und
\textit{Settle}. Die Scangeschwindigkeit pro Samplepunkt ergibt sich
aus den Zeitvorgaben von \textit{Settle} (Justierzeit), \textit{Point}
(Zwischenzeit, nicht änderbar) und \textit{Dwell} (Integrationszeit auf dem Samplepunkt).\\~\\
%
%
\subsection*{Arbeitsplatzrechner}
Messdaten werden auf dem Arbeitsplatzrechner zunächst in einem
Unterverzeichnis von \texttt{F:\textbackslash}
gespeichert\footnote{neue Daten unter \texttt{C:\textbackslash} werden
  nach einem Rechnerneustart gelöscht}. Damit Sie später Ihre Daten
nutzen und weiterverarbeiten können, müssen Sie diese in das \textsf{csv}
Format exportieren. Löschen Sie am Ende des Versuchs keine Daten!\\~\\
%
Achten Sie später bei der Auswertung darauf, dass die Daten richtig
importiert werden.\\~\\
%
%
\subsection*{Der Pumpenstand}
Im Pumpenstand integriert ist das \textsf{COMBIVAC}, welches die
Drücke der angeschlossenen Drucksensoren \textsf{THERMOVAC}
(Feinvakuummeter) und \textsf{PENNINGVAC} (Hochvakuummeter)
anzeigt. Der dokumentierte Messfehler des \textsf{PENNINGVAC} beträgt
$\pm30\%$ vom angezeiten Wert.\\~\\
%
Achten Sie während einer Messung auch immer auf die
Druckanzeige. Sollte während eines Scans der Druck sprunghaft
ansteigen, dann können Sie diese Messung später nicht
verwenden. Warten Sie gegebenenfalls bis sich der Druck wieder
stabilisiert hat.\\
\vfill
\newpage
%
%
% ---- DURCHFÜHRUNG -------------------------------------------------
\section{Versuchsdurchführung}
Starten Sie zunächst einige Probemessungen im Bar und Profil Modus, um sich mit den Hauptfunktionen
der Software und der Messanordnung vertraut zu machen. \\
%
Liegt der Druck unter $1\cdot10^{-5}~\mbar$ (abgelesen am
\textsf{COMBIVAC}), dann können Sie Ihre Messung starten. Nehmen Sie
zunächst im Bar Modus ein Massenspektrum auf. Achten Sie auf die
unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten bei den verschiedenen
Detektionsbereichen. Lassen Sie dazu das Häckchen \textit{auto range}
aktiviert und starten Sie einen kontinuierlichen Scan. Aus dem so
aufgenommenen Massenspektrum läßt sich nun der Detektionsbereich für
den nächsten Scan im Profil Modus gewinnen. Lesen Sie dazu die
Zehnerpotenz des angezeigten Partialdrucks vom höchsten Peak ab und
ziehen davon nochmal eins ab (z.B. Anzeige von $4,5\cdot
10^{-7}$~torr, d.h. $-8$ als Detektionsbereich der nächsten
Messung). Sollte die Messung in eine Sättigung laufen, so müssen Sie
die Detektionsempfindlichkeit herabsetzen.
%
%
%
%
%     --- AUFGABEN ---
%
%%%%%%%%%%%%%%%% enumerate umdefinieren %%%%%%%%%%%%%
%\renewcommand{\labelenumi}{\textbf{\thesection.\theenumi}}
\vspace{.75cm}
\subsection*{Aufgaben}
Bearbeiten Sie die folgenden Aufgaben. Achten Sie dabei auf die
Angaben von Messfehlern und diskutieren Sie Ihre Ergebnisse.\\~\\
\renewcommand{\labelenumi}{\textbf{A.\theenumi}}
\begin{enumerate}
%
% Aufgabe 1
\item \textbf{Theoretisches Auflösungsvermögen}\\~\\
%
Im Massenpeak $m/z = 28$ überlagern sich die Spezies \ce{N2} und
\ce{CO}. Berechnen Sie das zur Trennung der beiden Komponenten benötigte minimale
Auflösungsvermögen eines Massenspektrometers.\\~\\
%
Ermitteln Sie ebenfalls das zur Trennung erforderliche minimale
Auflösungsvermögen der beiden Isotopologen
\iso{C}{12}\iso{O}{17}\iso{O}{16} und \iso{C}{13}\iso{O$_2$}{16}
mit ihren zugehörigen Massen\footnote{
siehe A.M. Zyakun, M. Schidlowski, \textsl{Int. J. Mass. Spectrom. Ion
Processes}, \textbf{161}, (1997), 97}  44,9932~u und 44,9940~u.\\~\\
%
\underline{Hinweis:} Die genauen Massen für \ce{N2} und \ce{CO}
finden Sie z.B. in \lbrack 12\rbrack.\\~\\
%
%
% Aufgabe 2
\item \textbf{Mathieusche Differentialgleichung}\\~\\
%
Leiten Sie anhand des Stabilitätsdiagramms und dem Zusammenhang
zwischen $m$ und dem dimensionslosen Parameter $q$ die Beziehung $\dfrac{m}{\Delta m} \approx
\textrm{const.}$ ab.\\~\\
%
Welche maximale Auflösung ist bei einem Quadrupol-Massenspektrometer
theoretisch möglich? \\~\\
%
\underline{Hinweis:} Sehen Sie sich die Definition des
dimensionslosen Parameters $q$ in den Bewegungsgleichungen der Ionen
im Feld eines Quadrupols an.\\~\\
%
%
% Aufgabe 3
\item \textbf{Analyse der chemischen Elemente und ihrer Massen im Restgas}\\~\\
%
Bestimmen Sie die chemische Zusammensetzung im Restgas qualitativ wie
quantitativ.\\
Vergleichen Sie die Partialdrucksumme mit dem angezeigten Totaldruck am \textsf{COMBIVAC}.\\~\\
%
\underline{Hinweis:} Notieren Sie zu Ihrer Messung stets den
angezeigten Druckwert am \textsf{COMBIVAC}. 
Grenzen Sie den Messbereich auf 10 -- 60 $m/z$ ein.
Nutzen Sie zur quantitativen Analyse den Profil Modus. Verwenden Sie
bei Ihren Berechnungen die Cracking-Pattern Tabelle und
die Angaben zur relativen Sensitivität, um die Partialdrücke der
einzelnen Komponenten bestimmen zu können. Achten Sie bei der
Auswertung auf
Überlagerungen verschiedener Spezies in den Massenpeaks. 
Geben Sie die Zusammensetzung des Restgases auch prozentual an.
Tipps zur Auswertungen folgen in Abschnitt \ref{auswertung}.
%\vfill
%\newpage
%
%
% Aufgabe 4
\item \textbf{Analyse der chemischen Elemente und ihrer Massen aus Umgebungsluft}\\~\\
%
Bestimmen Sie die chemische Zusammensetzung der Umgebungsluft
qualitativ wie quantitativ.\\
Vergleichen Sie die Partialdrucksumme mit dem angezeigten Totaldruck am \textsf{COMBIVAC}.
\signpic
  \vspace{-5pt}\hspace{.1cm}
  \includegraphics[height=0.7cm]{warnschild_vorsicht}
\signtext
  Achten Sie \underline{vor} dem Öffnen des Dosierventils darauf, dass
  die LEDs von Filament und Emission erloschen sind. 
\signend
%
\underline{Hinweis:} Öffnen Sie vorsichtig das Dosierventil, bis
Sie einen Druck zwischen $1-1,5\cdot 10^{-5}$\mbar~ erreicht
haben. Messung und Auswertung erfolgen wie in der vorherigen
Aufgabe. Beachten Sie, dass das analysierte Gas ein
Gemisch aus Umgebungsluft und Restgas ist. Quantitative Aussagen
können Sie nur treffen, wenn Sie von Ihrem Ergebnis die Partialdrücke aus der
Restgasanalyse subtrahieren. Tipps zur Auswertung folgen in Abschnitt \ref{auswertung}.\\~\\
%Sie können dies selbst per Hand
%durchführen oder Sie nutzen die Funktion \textit{Background subtract}
%der Steuerungssoftware (siehe \lbrack 6\rbrack).\\~\\
%
%
% Aufgabe 5
\item \textbf{Bestimmung des Auflösungsvermögen nach der 10\% Tal-Definition}\\~\\
%
Bestimmen Sie das Auflösungsvermögen nach der 10\% Tal-Definition an
mindestens drei Peaks im Massenspektrum.\\~\\
%
\underline{Hinweis:} Zeichnen Sie die Hauptpeaks von Wasser,
Stickstoff und Sauerstoff in geeigneter Weise auf und tragen Sie $A =
m/\Delta m$ gegen $m$ in einem Diagramm auf. Es
ist empfehlenswert an dieser Stelle den Massenbereich einzuschränken
und den Detektionsbereich für jeden Massenpeak anzupassen,
so dass sich die gewünschten Massenpeaks optimal darstellen
lassen.\\~\\
%
%
% Aufgabe 6
\item \textbf{Variierbare Linienbreite}\\~\\
Ermitteln Sie den Zusammenhang zwischen Linienbreite und
Linienhöhe.\\~\\
%
\underline{Hinweis:} Ändern Sie den Tuningparameter
\textsl{delta-m} (siehe \lbrack 6\rbrack). Zeichnen Sie mindestens
zehn Spektren eines ausgewählten Massenpeaks mit unterschiedlichen
Linienbreiten in geeigneter Weise auf. Sie sollten bei einer Linienbreite beginnen, bei
der sich ein vernünftiges Spektrum aufnehmen lässt. Tragen Sie die
Peakhöhe gegen den Tuningparameter \textsl{delta-m} auf.\\~\\
%
%
% Aufgabe 7
\item \textbf{Ionisierungspotentiale}\\~\\
%
Bestimmen Sie die Ionisierungspotentiale von mindestens zwei Substanzen.\\~\\
\signpic
%  \vspace{.05cm}\hspace{.1cm}
  \vspace{-5pt}\hspace{.1cm}
  \includegraphics[height=0.7cm]{warnschild_vorsicht}
\signtext
  Reduzieren Sie unbedingt \underline{vor} der Messung den Emissionsstrom (siehe
  \lbrack 6\rbrack). \\
  Er sollte einen Wert von $60~\mu$A nicht übersteigen.\\
  Eine zu hohe Emission kann zu Schäden am Filament führen.\\ 
  Fragen Sie im Zweifel den Assistenten. Denken Sie daran nach diesem
  Versuchteil die Emission wieder auf den alten Wert einzustellen.
\signend
%
\underline{Hinweis:} Nutzen Sie den Map Modus für diese Analyse. 
Ermitteln Sie aus vorangegangenen Messungen das 
Masse--zu--Ladungsverhältnis am Peakmaximum Ihres
ausgewählten Stoffes und tragen Sie diesen Wert als \textsl{Masse} ein.
Der eingestellte Energiebereich sollte 10--50~eV betragen. Wenn nötig, mitteln
Sie in Ihrer Auswertung einige Messungen. Machen Sie eine lineare
Näherung im ansteigenden Ast des Kurvenverlaufes. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der
Energieachse ist das gesuchte Ionisierungspotential.\\~\\
\vfill
\newpage
%
%
% Aufgabe 8
\item \textbf{Druckabfall}\\~\\
Messen Sie die Partialdrücke der fünf
Hauptbestandteile von Luft während der
Unterdruckerzeugung. Interpretieren Sie Ihr Ergebnis.\\~\\
%
\underline{Hinweis:} Tragen Sie im MID Modus die erforderlichen Substanzen mit
Ihren Hauptpeaks und der relativen Sensitivität ein. Starten Sie die
Messung. Warten Sie etwas, bevor Sie das Dosierventil vollständig
schließen.\\~\\
%
%
% Aufgabe 9
\item \textbf{Bestimmung einer unbekannten Substanz}\\~\\
Identifizieren Sie eine organisches Molekül anhand seiner
Ionenbruchstückverteilung.\\~\\
%
\underline{Hinweis:} Die unbekannte Substanz erhalten Sie von Ihrem
Betreuer. Messen Sie wieder in einem Bereich von 10 -- 60~$m/z$. Vergleichen Sie
Ihre Messungen mit den Massenspektren der Umgebungsluft. Fallen Ihnen
signifikante Änderungen auf? Nutzen Sie die Cracking-Pattern
Tabelle bei der Auswertung.\\~\\
%
%
% Aufgabe 10
\item \textbf{Vergleichende Messung des Vakuums mit Hilfe des Massenspektrometers
und des Ionisationsvakuummeters}\\~\\
%
Messen und vergleichen Sie die Druckangaben des \textsf{HAL 7 RC RGA 100} 
mit denen des \textsf{PENNINGVAC}.\\~\\
%
\underline{Hinweise:} Tragen Sie als \textsl{Detektor} die Option
\textsl{total pressure} ein. Stellen Sie mit dem Dosierventil
verschiedene Druckwerte ein und notieren Sie die Werte von der
\textsf{COMBIVAC}--Anzeige. Tragen Sie in einer Grafik die Druckwerte beider
Detektoren gegeneinander auf. Schätzen Sie den Fehler des
Massenspektrometers großzügig ab. Der Hersteller kommentiert diesen Modus:
\textit{\glqq The total pressure mode on our instrument is only very
  approximate. It is better to sum the partial pressures to produce
  the total pressure.\grqq} \\ 
\end{enumerate}
%
%
% ---- AUSWERTUNG ---------------------------------------------------
\section{Hinweise zur Auswertung}\label{auswertung}
Schätzen Sie Fehlerwerte der Partialdruckmessung durch das
Massenspektrometer geschickt ab.\\~\\
%
Das Massenspektrometer ist so kalibriert, dass die Linienbreite über
den gesamten Messbereich konstant gehalten wird. Auflösung und
Transmission verhalten sich umgekehrt proportional 
zueinander \lbrack 1\rbrack, d.h. die Intensität der Peaks nimmt
umgekehrt proportional zu $m/z$ ab. Diese massenabhängige Transmission
müssen Sie bei der quantitativen Auswertung von Restgas und
Umgebungsluft beachten. Sie müssen Ihre gemessenen Partialdrücke mit einem
Transmissionsfaktor $M/28$ multiplizieren, wobei $M$ hier für das $m/z$
Verhältnis steht. Die so neu gewonnen Daten können zur quantitativen
Analyse mittels Cracking--Pattern--Verfahren herangezogen werden.\\~\\
%
Unterschiedliche Ionisierungswahrscheinlichkeiten bezüglich der
Elektronenstoßionisation bei 70~eV sind in der Größe \textit{relative
  Sensitivität} enthalten.  Haben Sie den Partialdruck einer
Komponente nach dem Cracking--Patter--Verfahren bestimmt, dann müssen
Sie diesen Wert noch durch den jeweiligen Wert der \textit{relativen
  Sensitivität} teilen.\\~\\
%
Die untersuchte \textsl{Umgebungsluft} ist ein Gemisch
aus einströmender Umgebungsluft aus dem Praktikumsraum und des sich im
Rezipienten befindlichen Restgases. Zur Angabe der quantitativen Zusammensetzung der
Umgebungsluft müssen daher die Restgasanteile abgezogen
werden. Beachten Sie, dass nur die Subtraktion von Partialdrücken
gleicher chemischer Komponenten zulässig ist.
\vfill
\newpage
%
%
% ---- ANHANG -------------------------------------------------------
\section{Anhang}
% Grafik ist bereits gedreht
\hspace{2cm}
\includegraphics[scale=.9]{zusammensetzung-cut}
\begin{sideways}
%\begin{rotate}{90}
%\begin{landscape}
%\flushleft{\textbf{Abbildung 2:} \textsl{Zusammensetzung der
%    Atmosphäre nach Volumenanteilen}}
%\end{landscape}
%\end{rotate}
\textbf{Abbildung 2:} 
\textsl{Zusammensetzung der Luft in der Troposphäre nach
  Volumenanteilen gestapelt. Mit Genehmigung von R.~Koppmann.}
\end{sideways}
\vfill
\newpage
%
%
% ---- Cracking-Pattern-Tabelle -------------------------------------
\renewcommand{\arraystretch}{1.8}
\flushleft{\textbf{Tabelle 1:} \textsl{Ausgewählte Substanzen mit
    ihren Haupt- und Nebenpeaks sowie relativer Sensitivität (soweit vorhanden). %\\~\\}}
Die Angaben gelten für Elektronenstoßionisation bei 70~eV im
Hochvakuum. Die relativen Werte der Nebenpeaks beziehen sich auf
die Höhe des Hauptpeaks.\\~\\}}
{\small
\begin{tabularx}{\textwidth}%{l >{\footnotesize (}r<{\footnotesize )}
                            %D{/}{/}{7.7} D{/}{/}{4.4} D{/}{/}{4.4}
                            %D{/}{/}{4.4}D{/}{/}{4.4}} 
%{l >{\footnotesize (}r<{\footnotesize )}% Summenformel, Name
{ l >{\footnotesize\itshape}r                                                   % Summenformel, Name
>{\hfill}p{1cm} !{\hspace{-.25cm}} >{\color{dunkelgrau}}l<{\color{black}} !{\hspace{.6cm}}% Hauptpeak
*{3}{r !{\hspace{-.25cm}} >{\color{dunkelgrau}}l<{\color{black}} !{\hspace{.3cm}}} % Nebenpeaks 1-3
r !{\hspace{-.25cm}} >{\color{dunkelgrau}}l<{\color{black}} !{\hspace{1.cm}}       % Nebenpeak 4
D{.}{,}{1.2}  }                                                                    % rel. Sensitivität
\toprule
\multicolumn{2}{c}{\normalsize\textbf{Substanz}} &
\multicolumn{2}{c}{\normalsize\textbf{Hauptpeak}} &
\multicolumn{8}{c}{\normalsize\textbf{Nebenpeaks}~ ~ ~ ~ ~ ~} &
\multicolumn{1}{c}{\normalsize\textbf{rel. Sens.}}\\
Formel & Name & %
\multicolumn{2}{c}{$m/z$~~\textcolor{dunkelgrau}{\%}} & %
\multicolumn{2}{c}{\hspace{-.3cm}$m/z$~~\textcolor{dunkelgrau}{\%}} & %
\multicolumn{2}{c}{\hspace{-.3cm}$m/z$~\textcolor{dunkelgrau}{\%}} & %
\multicolumn{2}{c}{\hspace{-.3cm}$m/z$~\textcolor{dunkelgrau}{\%}} & %
\multicolumn{2}{c}{\hspace{-.9cm}$m/z$~\textcolor{dunkelgrau}{\%}} & %
~ \\
%$m/z$ & \% & % HP
% $m/z$ & \% & % NP1
% $m/z$ & \% & % NP2
% $m/z$ & \% & % NP3
% $m/z$ & \% & % NP4
%\multicolumn{1}{c}{\normalsize\textbf{Sens.}}\\
\midrule
\ce{H2}       & Wasserstoff         &  2 & 100 & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & 0.44 \\
\ce{He}       & Helium              &  4 & 100 & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & 0.14 \\ 
\ce{CH4}      & Methan              & 16 & 100 & 15 & 85 & 14 & 19 & 13 & 08 & 12 & 02 & 1.60 \\
\ce{NH3}      & Ammoniak            & 17 & 100 & 16 & 80 & 15 & 08 & 14 & 02 & ~  & ~  & 1.30 \\
\ce{H2O}      & Wasser              & 18 & 100 & 17 & 23 & 16 & 02 & ~  & ~  & ~  & ~  & 0.90 \\
\ce{Ne}       & Neon                & 20 & 100 & 22 & 10 & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & 0.23 \\
\ce{C2H2}     & Acetylen            & 26 & 100 & 25 & 20 & 24 & 06 & 13 & 06 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{CH2CHCl}  & Venylchlorid        & 27 & 100 & 62 & 84 & 28 & 37 & 26 & 34 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{C2H4}     & Ethylen             & 28 & 100 & 27 & 65 & 26 & 62 & 25 & 12 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{CO}       & Kohlenmonoxid       & 28 & 100 & 12 & 05 & 16 & 01 & ~  & ~  & ~  & ~  & 1.05 \\
\ce{N2}       & Stickstoff          & 28 & 100 & 14 & 07 & 29 & 01 & ~  & ~  & ~  & ~  & 1.00 \\
\ce{C2H6}     & Ethan               & 28 & 100 & 27 & 33 & 30 & 26 & 26 & 23 & ~  & ~  & 2.60 \\
\ce{C2H4O}    & Ethylenoxid         & 29 & 100 & 44 & 65 & 15 & 65 & 14 & 20 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{C2H4O}    & Acetaldehyd         & 29 & 100 & 44 & 46 & 43 & 27 & 42 & 09 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{C3H8}     & Propan              & 29 & 100 & 28 & 59 & 27 & 38 & 44 & 26 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{CH3OH}    & Methanol            & 31 & 100 & 32 & 67 & 29 & 65 & 28 & 06 & ~  & ~  & 1.80 \\
\ce{C2H5OH}   & Ethanol             & 31 & 100 & 45 & 51 & 29 & 30 & 27 & 24 & ~  & ~  & 3.60 \\
\ce{O2}       & Sauerstoff          & 32 & 100 & 16 & 11 & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & 0.86 \\
\ce{H2S}      & Schwefelwasserstoff & 34 & 100 & 32 & 44 & 33 & 42 & 36 & 04 & ~  & ~  & 2.20 \\
\ce{HCI}      & Chlorwasserstoff    & 36 & 100 & 38 & 32 & 35 & 17 & ~  & ~  & ~  & ~  & 1.60 \\
\ce{Ar}       & Argon               & 40 & 100 & 20 & 11 & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & ~  & 1.20 \\
\ce{C3H6}     & Propen              & 41 & 100 & 39 & 74 & 42 & 70 & 27 & 38 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{C4H10}    & Butan               & 43 & 100 & 29 & 44 & 27 & 37 & 28 & 33 & ~  & ~  & ~ \\
\ce{C3H6O}    & Aceton              & 43 & 100 & 58 & 33 & 15 & 20 & 27 & 08 & 42 & 07 & 3.60 \\
\ce{CO2}      & Kohlendioxid        & 44 & 100 & 28 & 12 & 16 & 16 & 12 & 07 & 22 & 03 & 1.40 \\
\ce{C3H7OH}   & Isopropanol         & 45 & 100 & 43 & 17 & 27 & 16 & 29 & 10 & ~  & ~  & ~ \\
C$_x$H$_y$    & Rotationspumpenöle  & 57 & 100 & 55 & 73 & 43 & 73 & 41 & 33 & ~  & ~  & 1.00 \\
\ce{SO2}      & Schwefeldioxid      & 64 & 100 & 48 & 49 & 32 & 10 & 16 & 05 & ~  & ~  & 2.10 \\
\ce{C6H6}     & Benzol              & 78 & 100 & 52 & 19 & 51 & 19 & 39 & 14 & ~  & ~  & 5.90 \\
\ce{Kr}       & Krypton             & 84 & 100 & 86 & 31 & 82 & 21 & ~  & ~  & ~  & ~  & 1.70 \\
\ce{CCl2F2}   & Freon 12            & 85 & 100 & 87 & 32 & 50 & 16 & ~  & ~  & ~  & ~  & 2.70 \\
\bottomrule
\end{tabularx} 
\enlargethispage{\baselineskip}
} % small

\end{document}


% \begin{tabularx}{\textwidth}{l >{\small (}r<{\small )} D{/}{/}{7.7} D{/}{/}{4.4} D{/}{/}{4.4} D{/}{/}{4.4}D{/}{/}{4.4}} 
% \toprule
% \multicolumn{2}{c}{\textbf{Substanz}} & \multicolumn{1}{c}{\textbf{Hauptpeak}} & \multicolumn{4}{c}{\textbf{Nebenpeaks}}\\
% \midrule
% H$_2$          & Wasserstoff         &  2/100 & ~     & ~     & ~     & ~ \\
% He             & Helium              &  4/100 & ~     & ~     & ~     & ~ \\
% CH$_4$         & Methan              & 16/100 & 15/85 & 14/19 & 13/08 & 12/02 \\
% NH$_3$         & Ammoniak            & 17/100 & 16/80 & 15/08 & 14/02 & ~ \\
% H$_2$O         & Wasser              & 18/100 & 17/23 & 16/02 & ~     & ~ \\
% Ne             & Neon                & 20/100 & 22/10 & ~     & ~     & ~ \\
% C$_2$H$_2$     & Acetylen            & 26/100 & 25/20 & 24/06 & 13/06 & ~ \\
% CH$_2$CHCl     & Venylchlorid        & 27/100 & 62/84 & 28/37 & 26/34 & ~ \\
% C$_2$H$_4$     & Ethylen             & 28/100 & 27/65 & 26/62 & 25/12 & ~ \\
% CO             & Kohlenmonoxid       & 28/100 & 12/05 & 16/01 & ~     & ~ \\
% N$_2$          & Stickstoff          & 28/100 & 14/07 & 29/01 & ~     & ~ \\
% C$_2$H$_6$     & Ethan               & 28/100 & 27/33 & 30/26 & 26/23 & ~ \\
% C$_2$H$_4$O    & Ethylenoxid         & 29/100 & 44/65 & 15/65 & 14/20 & ~ \\
% C$_2$H$_4$O    & Acetaldehyd         & 29/100 & 44/46 & 43/27 & 42/09 & ~ \\
% C$_3$H$_8$     & Propan              & 29/100 & 28/59 & 27/38 & 44/26 & ~ \\
% CH$_3$OH       & Methanol            & 31/100 & 32/67 & 29/65 & 28/06 & ~ \\
% C$_2$H$_5$OH   & Ethanol             & 31/100 & 45/51 & 29/30 & 27/24 & ~ \\
% O$_2$          & Sauerstoff          & 32/100 & 16/11 & ~     & ~     & ~ \\
% H$_2$S         & Schwefelwasserstoff & 34/100 & 32/44 & 33/42 & 36/04 & ~ \\
% HCI            & Chlorwasserstoff    & 36/100 & 38/32 & 35/17 & ~     & ~ \\
% Ar             & Argon               & 40/100 & 20/11 & ~     & ~     & ~ \\
% C$_3$H$_6$     & Propen              & 41/100 & 39/74 & 42/70 & 27/38 & ~ \\
% C$_4$H$_{10}$  & Butan               & 43/100 & 29/44 & 27/37 & 28/33 & ~ \\
% C$_3$H$_6$O    & Aceton              & 43/100 & 58/33 & 15/20 & 27/08 & 42/07 \\
% CO$_2$         & Kohlendioxid        & 44/100 & 28/12 & 16/16 & 12/07 & 22/03 \\
% C$_3$H$_7$OH   & Isopropanol         & 45/100 & 43/17 & 27/16 & 29/10 & ~ \\
% C$_x$H$_y$     & Rotationspumpenöle  & 57/100 & 55/73 & 43/73 & 41/33 & ~ \\
% SO$_2$         & Schwefeldioxid      & 64/100 & 48/49 & 32/10 & 16/05 & ~ \\
% C$_6$H$_6$     & Benzol              & 78/100 & 52/19 & 51/19 & 39/14 & ~ \\
% \bottomrule
% \end{tabularx}



% {\small
% \begin{tabularx}{\textwidth}{l >{\footnotesize (}r<{\footnotesize )} D{/}{/}{7.7} D{/}{/}{4.4} D{/}{/}{4.4} D{/}{/}{4.4}D{/}{/}{4.4}} 
% \toprule
% \multicolumn{2}{c}{\textbf{Substanz}} & \multicolumn{1}{c}{\textbf{Hauptpeak}} & \multicolumn{4}{c}{\textbf{Nebenpeaks}}\\
% \midrule
% \ce{H2}       & Wasserstoff         &  2/100 & ~     & ~     & ~     & ~ \\
% \ce{He}       & Helium              &  4/100 & ~     & ~     & ~     & ~ \\
% \ce{CH4}      & Methan              & 16/100 & 15/85 & 14/19 & 13/08 & 12/02 \\
% \ce{NH3}      & Ammoniak            & 17/100 & 16/80 & 15/08 & 14/02 & ~ \\
% \ce{H2O}      & Wasser              & 18/100 & 17/23 & 16/02 & ~     & ~ \\
% \ce{Ne}       & Neon                & 20/100 & 22/10 & ~     & ~     & ~ \\
% \ce{C2H2}     & Acetylen            & 26/100 & 25/20 & 24/06 & 13/06 & ~ \\
% \ce{CH2CHCl}  & Venylchlorid        & 27/100 & 62/84 & 28/37 & 26/34 & ~ \\
% \ce{C2H4}     & Ethylen             & 28/100 & 27/65 & 26/62 & 25/12 & ~ \\
% \ce{CO}       & Kohlenmonoxid       & 28/100 & 12/05 & 16/01 & ~     & ~ \\
% \ce{N2}       & Stickstoff          & 28/100 & 14/07 & 29/01 & ~     & ~ \\
% \ce{C2H6}     & Ethan               & 28/100 & 27/33 & 30/26 & 26/23 & ~ \\
% \ce{C2H4O}    & Ethylenoxid         & 29/100 & 44/65 & 15/65 & 14/20 & ~ \\
% \ce{C2H4O}    & Acetaldehyd         & 29/100 & 44/46 & 43/27 & 42/09 & ~ \\
% \ce{C3H8}     & Propan              & 29/100 & 28/59 & 27/38 & 44/26 & ~ \\
% \ce{CH3OH}    & Methanol            & 31/100 & 32/67 & 29/65 & 28/06 & ~ \\
% \ce{C2H5OH}   & Ethanol             & 31/100 & 45/51 & 29/30 & 27/24 & ~ \\
% \ce{O2}       & Sauerstoff          & 32/100 & 16/11 & ~     & ~     & ~ \\
% \ce{H2S}      & Schwefelwasserstoff & 34/100 & 32/44 & 33/42 & 36/04 & ~ \\
% \ce{HCI}      & Chlorwasserstoff    & 36/100 & 38/32 & 35/17 & ~     & ~ \\
% \ce{Ar}       & Argon               & 40/100 & 20/11 & ~     & ~     & ~ \\
% \ce{C3H6}     & Propen              & 41/100 & 39/74 & 42/70 & 27/38 & ~ \\
% \ce{C4H10}    & Butan               & 43/100 & 29/44 & 27/37 & 28/33 & ~ \\
% \ce{C3H6O}    & Aceton              & 43/100 & 58/33 & 15/20 & 27/08 & 42/07 \\
% \ce{CO2}      & Kohlendioxid        & 44/100 & 28/12 & 16/16 & 12/07 & 22/03 \\
% \ce{C3H7OH}   & Isopropanol         & 45/100 & 43/17 & 27/16 & 29/10 & ~ \\
% C$_x$H$_y$    & Rotationspumpenöle  & 57/100 & 55/73 & 43/73 & 41/33 & ~ \\
% \ce{SO2}      & Schwefeldioxid      & 64/100 & 48/49 & 32/10 & 16/05 & ~ \\
% \ce{C6H6}     & Benzol              & 78/100 & 52/19 & 51/19 & 39/14 & ~ \\
% \bottomrule
% \end{tabularx}
% }