CN102779707A - 一种四极杆质量分析器的装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于质量分析仪器技术领域，具体为一种四极杆质量分析器的装配方法。其步骤包括：将四根四极杆均匀分布于绝缘环内，四极杆外圆两端的定位销与绝缘环外壁均匀分布的通孔紧密配合，通过调节定位夹具与四极杆的相切配合，确定四根四极杆的相对位移，并将四极杆上端的定位销与绝缘环接触面上密封或焊接，再根据定位夹具材料的热胀冷缩系数，把整个装置放置于合适的环境中，根据热胀冷缩原理，取出定位夹具，完成整个装置装配。本发明中采用高精密定位夹具定位四根四极杆的相对位移，根据物理上圆面相切和材料的热胀冷缩原理来实施装配。本发明方法降低加工难度系数，提高了整个四极质量分析器合格率。

Description

一种四极杆质量分析器的装配方法
技术领域
本发明属于质量分析仪器技术领域，具体涉及一种四极杆质量分析器的装配方法。是一种精密机械装配调整的四极杆质量分析器装置的方法。靠精密装配、调节达到四极杆质量分析器组装的精确尺寸，确保整个四极杆质量分析器的性能，增加四极杆质量分析器装置的刚性。
背景技术
质谱仪在物质分析及成分鉴定中具有很高的灵敏度和分辨率，其基本工作原理是：首先把被检测的物质电离成离子，通过电场或磁场将离子按质荷比（m/z）的大小进行分离，然后通过离子检测器检测这些被分离的离子，从而得到质谱图。通过对质谱图的分析，即可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量等信息。在质谱仪中，将物质电离的部件被称为离子源，对离子进行质量分析的部件被称为质量分析器。离子源和离子质量分析器是组成质谱仪的两个关键部件。
由于质谱仪具有高灵敏度和高分辨率等特点，它已经成为当今世界上应用最广泛的分析器之一，在环境检测、食品安全、运动员违禁药物检测、制药、疾病诊治、蛋白质组学、基因组学等热点领域发挥着越来越重要的作用。不仅如此，质谱仪的发展对一些基础科学研究以及涉及国家安全的领域（如国防、航天、生物以及化学武器的检测与维护等）具有重要的意义。
目前，质谱技术的发展已相当成熟，各种新型的质谱仪器不断涌现。所有的质谱仪的基本原理或者说要实现的目标都是相同的，那就是实现中性物质的电离，然后把离子按其质荷比大小进行分离。然而，不同种类的质谱仪使用不同的质量分析器，这些质量分析器实现离子质荷比分离的方式也不相同。按照质量分析器的不同把质谱仪主要分为以下几种：磁质谱仪(使用磁质量分析器，magnetic sector)、飞行时间质谱仪(使用飞行时间质量分析器，TOF)、四极杆质谱仪(使用四极杆质量分析器，QMF)、离子阱质谱仪(使用离子阱质量分析器，Ion trap)、傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(使用傅里叶变换质量分析器，FT-ICR)、轨道离子阱质谱仪(使用轨道离子阱质量分析器，Orbitrap)等。不同种类的质谱仪具有不同的特点和应用领域。
四极杆质谱仪是目前最成熟、应用最广泛的小型质谱仪之一。在气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-质谱（LC/MS）联用仪中，四极杆是最常用的质量分析器之一。四极杆质谱仪属于动态质谱，由于仅利用纯电场工作，无需涉及磁场，重量较轻；仅要求离子入射能量小于某一上限，不要求入射离子实现能量聚焦，从而可引入结构简单、高灵敏度的离子源，并且适用于具有一定能量分散的离子，如二次离子；扫描速度快，可通过调节电参量实现仪器灵敏度和分辨本领的调整，同一台仪器可满足不同的分析要求。这些优点使得四极杆从诞生开始就备受关注，并得到了迅速发展。目前四极杆质谱技术已相当成熟，作为一种结构紧凑、功能齐全、价格低廉的质谱仪器，在物理学、分析化学、医学、环境科学、生命科学等领域中获得了广泛应用。
四极杆质谱仪中使用的四极杆质量分析器由两对平行的圆柱性电极组成。离子束在与圆柱形电极平行的轴上聚焦，一个直流电压(DC)和一个射频电压(RF)作用在两对电极上，加载在两对电极上的电压信号幅度相同但相位相差180o。对于给定的直流和射频电压，只有特定质荷比的离子才能在轴向方向稳定运动地通过，其他质荷比的离子则与电极碰撞湮灭。将DC和RF以固定的斜率扫描，可以实现质量扫描功能。四极杆质量分析器具有相对简单的结构，扫描速度较快，但是它的质量分辨率和质量范围不高，而且四极杆的电极对精度的要求很高，因此加工和装配难度大。
四极杆装置是四极杆质量分析器质谱仪所必备的核心部件，它的加工及组装精度决定了整个仪器的检测水平，而四极杆质量分析器的组装件的精度又是四极杆装置精度的关键所在。四极杆质量分析器组装件的精度直接决定了整个仪器的质量分辨以及仪器灵敏度等性能指标。
专利CN200965862Y中描述了一种可调的四极杆装置，其中通过调节固定四极杆上的紧定螺钉与支板上的调节螺钉使极杆相对位移，这里面涉及到螺纹连接的精度，在旋拧紧定螺钉和调节螺钉时，多用一点力和少用一点力，每个螺钉所旋转的螺距就有变化，其精度的变化直接影响到整个四极杆质量分析器的组装精度。在调节过程中，很难保证每根四极杆所受的力是均匀的，很难保证两组对立的四极杆的位移是均衡的，在整个装配过程中难度系数大，且很难保证整个极杆的相对位移。合格率严重受限制。
专利CN101312109A中描述了采用塞尺来装配四极杆，将加工的难度转移到塞尺平面上，其塞尺为十字形，十字形塞尺由四根单尺一个端面碰接，且要保证十字塞尺的四段之间的位移和角度一致，其很难保证高精度。另四根单尺的长度之长，厚度很薄，整个单尺容易形变，在整个单尺上的跳动误差和直线度误差很大，其单尺的长度是与四极杆的长度相匹配，所以要想不造成上述的跳动误差和直线度误差，其长度很受限制，直接影响四极杆的长度。另将四极杆用O型圈箍紧在十字塞尺中，因O型圈是橡胶材料，容易造成形变，所以很难保证整个四根极杆组装后的精度。
专利CN2916922Y中描述了利用陶瓷柱和四极杆及陶瓷环内壁相切，然后通过粘胶固定四极杆，其强度在实际应用中很难有保障，其直接影响整个精度。在四极杆没有具体定位的情况下，完全靠4个陶瓷柱跟4个四极杆及陶瓷环内壁的相切定位，在实际操作中很难运行，其装配非常复杂，效率低下，整个装置的精度很难保证。
专利CN202103012U中描述了一种正方形内框式的四极杆支架及装置，其正方形内框式的装置是有2个长边框和2个短边框及支撑板组成，在长边框与短边框组成的直角过程中，是通过螺钉连接在支撑板上，所围成正方形内框的精度完全取决于8个螺钉和支撑板之间的连接。这样两个边框所组成的垂直度误差大，另外所组成正方形内框的对立面的平行度误差大。这样组成的正方形内框的4个边缘面的长度和垂直度及平行度误差都很大，四极杆放在正方形内框中，很难保证4根四极杆之间的位移以及对立2根四极杆的平行度和垂直度。
以上所述表明，在四极杆固定及组装上都存在诸多限制和不足，目前，四极杆装置使用最广泛的结构型式是以四个具有精确位置的圆柱形定位面来固定四根极杆的位置。此类结构对于定位孔的位置精度和孔的尺寸形状精度要求极高，加工和装配调整难度都很大。此外还是一些靠人工装配调整的方案，但要实现四极杆及装置纳米级尺寸位置精度，难度更大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简单、高精度的四极杆质量分析器装配方法。
本发明提供的一种四极杆质量分析器的装配方法，包括以下步骤：
    （1）在绝缘环沿外圆周方向均匀开四个通孔，在四根电极杆上端分别设置定位销，定位销为金属或非金属表面镀导电材料，通孔和定位销的大小、形状相互匹配，使定位销插入通孔时紧密配合，呈过盈连接；
    （2）将四根电极杆穿过绝缘环，均匀分布，并通过电极杆上的定位销初步定位于绝缘环内；
    （3）将定位夹具分别放入四根电极杆之间及相邻电级杆和绝缘环之间，调节使得一定位夹具内切于四电极杆，而其余定位夹具分别与相邻电级杆和绝缘环内壁相切配合，从而精确确定四根电极杆的相对位移，再将四根电极杆上的定位销与绝缘环紧密固定；
    （4）根据定位夹具材料的热胀冷缩系数，把上述整个装置放入特定的环境内，取出定位夹具，完成整个装配。一般，装配环境为常压、室温，所述特定环境一般是指在常压，温度为室温以下与室温温差为45—50℃，例如室温为25℃，则特定环境可为-25℃。这时，陶瓷的热胀冷缩系数为6.8x10-6/℃左右，钢的热胀冷缩系数为14.4-16.0x10-6/℃左右。
本发明中，所述电极杆上定位销与绝缘环采用强力固体胶固定或焊接的方式紧密固定。
本发明中，所述电极杆上定位销为金属材料，所述定位销与电极杆之间连接采用整体加工、螺纹连接或焊接中的一种，其定位销具有电极杆导通引线的作用。
本发明中，所述定位夹具为非金属材质的球体或圆柱体。 
 本发明中，所述的绝缘环为2或2个以上，位于四根电极杆的中间或两端。
本发明中，取定位夹具时，先取出4根电线杆之间的一定位夹具，再取出与绝缘环相切的其余定位夹具。
本发明中所述四根电极杆为圆柱形金属杆或圆柱形绝缘材料镀金属层，所述绝缘环为陶瓷材料的或其他不导电材料加工的圆柱形。
本发明采用物理上两圆相切和材料热胀冷缩的原理，通过精密的定位夹具与电极杆之间的外圆相切装配定位四根电极杆精密尺寸。本发明将绝缘环内圆定位四极杆的加工难度转移到定位夹具的圆形面上。本发明中，通过定位夹具的定位，将四根电极杆上的定位销通过强力胶固定在绝缘环的通孔上，增加了防震能力，制作方便。同时利用定位销方便了电极的导电引线，确保了四极质量分析器的精密性能，使整个四极质量分析器的装配精度得到有力的保障，解决了四极质量分析器在产业化生产中的关键技术难题。
附图说明
图1为本发明一种四极质量分析器装配过程中的结构剖切面示意图。
图2为四极质量分析器装配完成后的结构示意图。
图3为电极杆的结构示意图。
图4为绝缘环的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1~4所示，本发明公开了一种四极质量分析器装配方法，装配过程中，主要使用4根电极杆101、2个绝缘环102、定位夹具103、定位夹具104等部件。
电极杆为圆柱形金属杆，绝缘环为陶瓷加工成的圆柱体，位于四根电极杆的两端。定位夹具103和定位夹具104选用陶瓷（氧化铝99.6% ）材料的圆球或圆柱体。
图3中所示为电极杆的结构示意图，其中电极杆201两端设有定位销202，定位销为金属材料，此定位销202与电极杆201整体加工，或是在电极杆201上加工一个定位槽，定位销202放在电极杆201定位槽之后进行焊接，或是在电极杆201上加工个螺纹孔，定位销202与电极杆201通过螺纹连接成为一个整体。在绝缘环301的环壁上沿圆周均匀分布4组通孔302，通孔302的大小及形状与电极杆201上的定位销202一致。 
先将4根电极杆201上端的定位销202放入绝缘环301上4个通孔302，完成4根电极杆201与绝缘环301初步定位。将定位夹具104放入由4根电极杆101所围成的内孔，通过调节使得定位夹具104与4根电极杆101内切紧密配合，再将4个定位夹具103放入绝缘环301内，调节使得4个定位夹具103与4根电极杆101两两外圆周相切配合；， 在调整装配完成之后，在4根电极杆101的定位销202与绝缘环301的外环壁上的4个通孔302连接处用强力固体胶密封或焊接。使得电极杆101与绝缘环102在保证装配精度的前提下有力的结合。等到强力固体胶完全密封或焊接好之后，整个四极质量分析器装置放入特定的环境内，此环境的温度和湿度及气压与定位夹具103、定位夹具104的材料的热胀冷缩的系数决定，根据定位夹具材料的热胀冷缩系数的大小，在合适的环境内，不影响整个四极质量分析器装配精度的情况下，定位夹具103、定位夹具104会收缩，取出定位夹具103、定位夹具104，完成整个四极质量分析器的精密组装。
根据陶瓷（氧化铝99.6%）的热胀冷缩系数为6.8x10-6/℃、钢的热胀冷缩系数为14.4-16.0x10-6/℃。特定的环境为常压（自然大气压）下、温度为-25℃（常温为25℃）。体积型变量=热胀冷缩系数x温度差x材料的体积。所以在此环境中陶瓷的体积型变量△V=6.8x10-6/℃×50℃×V陶瓷。拿出定位夹具后，再放入常温常压下，完成整个装配。

Claims (5)

1.一种四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
    （1）在绝缘环沿外圆周方向均匀开四个通孔，在四根电极杆上端分别设置定位销，定位销为金属或非金属表面镀导电材料，通孔和定位销的大小、形状相互匹配，使定位销插入通孔时紧密配合，呈过盈连接；
    （2）将四根电极杆穿过绝缘环，电极杆均匀分布，通过电极杆上的定位销初步定位于绝缘环内；
    （3）将定位夹具分别放入四根电极杆之间及相邻电极杆和绝缘环之间，调节，使得一定位夹具内切于四电极杆，而其余定位夹具分别与相邻电极杆和绝缘环内壁相切配合，再将四根电极杆上的定位销与绝缘环紧密固定；
    （4）根据定位夹具材料的热胀冷缩系数，把上述整个装置放入常压、温度为室温以下与室温温差为45～50℃的环境内，取出定位夹具，完成整个装配。
2.根据权利要求1所述的质量分析器的装配方法，其特征在于：所述电极杆上定位销与绝缘环采用强力固体胶固定或焊接的方式紧密固定。
3.根据权利要求1或2所述的质量分析器的装配方法，其特征在于：所述电极杆上定位销为金属材料，所述定位销与电极杆之间连接采用整体加工、螺纹连接或焊接中的一种。
4.根据权利要求1所述的质量分析器的装配方法，其特征在于：所述定位夹具为非金属材质的球体或圆柱体。 
5.根据权利要求1所述的质量分析器的装配方法，其特征在于：所述绝缘环为2个或2个以上，绝缘环呈圆柱形。
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