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Die
Erfindung betrifft mit Hochfrequenzspannungen betriebene Ionenleitsysteme
auf der Basis von gestapelten Lochblenden.
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Die
Erfindung stellt Ionenleitsysteme aus Blendenstapeln bereit, die
es gestatten, den Ionenstrahl in den Blendenstapeln so zu formen,
dass er dem Akzeptanzprofil eines nachfolgenden Geräteteils
entspricht und so eine optimale Transmission der Ionen ergibt. Zu
diesem Zweck sind zumindest einige Blenden der Blendenstapel nicht
mit kreisrunden Öffnungen
versehen, sondern mit Öffnungen,
die den Querschnitt des austretenden Ionenstrahls in gewünschter
Weise formen. Es können
beispielsweise am Ausgang der Blendenstapel elliptische Strahlquerschnitte,
geteilte Strahlen oder fadenförmig
fokussierte Strahlen erhalten werden.
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Stand der Technik
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Ionenleitsysteme
bestehen im Allgemeinen aus lang gestreckten Multipolen mit stabförmigen Polstäben. Diese
haben den Nachteil, dass sie keinen aktiven Vorschub der Ionen erzeugen.
Es sind daher gelegentlich für
spezielle Zwecke Ionenleitsysteme aus gestapelten Rundlochblenden
(„stacked rings") eingesetzt worden,
die durch einen axialen Potentialgradienten einen aktiven Vorschub
der Ionen erlauben. Beispiele sind der Ionentrichter („ion funnel”) zum Einfangen
der Ionen aus einem in das Vakuum einströmenden Gas, Stoßzellen
mit Blenden konstanten Innendruchmessers und aktivem Vortrieb („ion tunnel") und Ionenpaketierungseinrichtungen, die
mit Wanderfeld-Vortrieb arbeiten.
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Beispielsweise
ist in
US-Patent 6,107,628
A (R. D. Smith und S. A. Shaffer) eine Anordnung eines Ionentrichters
(„ion
funnel") bekannt
geworden, der die Ionen aus einem Gasstrom heraussiebt und gezielt
zu der Öffnung
leitet, die in die nächste
differentielle Pumpdruckstufe führt.
Die Ausbeute an Ionen ist beträchtlich
höher als
bei Benutzung einfacher Abstreiferblenden. Dieser Ionentrichter
bildet einen Spezialfall der allgemeineren Ausführungen von Ionenleitsystemen
im Patent
US 5,572,035
A (J. Franzen), in dem bereits Anordnungen gestapelter
Ringlochblenden mit Hochfrequenzbetrieb und axialem Potentialgefälle, sowohl
mit zylindrischem wie auch mit konischem Innenraum, beschrieben
sind. Aus der Offenlegungsschrift
GB 2 392 005 A (Bateman) ist ein Ionenleitsystem
bekannt, in dem Plattenelektroden zu Stapeln angeordnet sind, wobei
benachbarte Plattenelektroden jeweils mit unterschiedlichen Phasen
einer Hochfrequenzspannung versorgt werden. Die Ionen bewegen sich
im Bereich zwischen zwei Stapeln und parallel zu den Plattenelektroden.
Die Stapel werden durch zwei Deckelektroden mit einem abstoßenden Gleichspannungspotential
abgeschlossen, um die Ionen senkrecht zur Stapelrichtung in dem
Ionenleitsystem zu halten. Aus der Offenlegungsschrift
EP 1 465 234 A2 (Taeman)
ist weiterhin ein mit Hochfrequenz betriebenes Ionenleitsystem aus
gestapelten Rundlochblenden bekannt, in denen jede einzelne Lochblende
in elektrisch leitfähige
und isolierte Segmente unterteilt ist. Benachbarte Segmente einer
Ringlochblende werden mit unterschiedlichen Phasen der Hochfrequenz
versorgt. Durch die Segmen tierung werden quadrupolare oder hexapolare
Pseudopotentiale erzeugt, mit denen die Ionen im Ionenleitsystem
auf dessen Achse fokussiert werden.
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Blendenstapel
in der Form von Ionentrichtern werden immer häufiger verwendet. Moderne Massenspektrometer
besitzen häufig
Ionenquellen, die die Ionen in reinen Gasen an Atmosphärendruck erzeugen.
Die Ionen werden dann im Allgemeinen mit dem reinen Schutzgas zusammen
durch eine längere
Kapillare (etwa 160 Millimeter Länge
mit 500–600
Mikrometer Innendurchmesser) in die erste Pumpstufe einer differentiellen
Pumpeinheit geführt. Dabei
werden etwa zwei bis vier Atmosphärenliter Gas pro Minute in
das Vakuumsystem eingeführt. Seltener
werden statt der Kapillaren auch einfache kleine Öffnungen
von einigen zehn bis zu einigen hundert Mikrometer Durchmesser verwendet.
Es werden nun Ionentrichter statt der üblicherweise verwendeten Gasabstreifer
zunehmend dazu benutzt, Ionen aus Gasströmen auszusieben und konzentriert weiterzuleiten.
Die Ionentrichter sind dazu mit einem Gleichspannungspotentialgefälle längs der
Achse versehen, das die Ionen zum Ausgang des Ionentrichters leitet.
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Der
Ionentrichter besteht aus einer Packung von koaxial angeordneten
Ringlochblenden mit relativ geringen Zwischenräumen zwischen den Lochblenden,
wobei sich die Durchmesser der kreisrunden Löcher zum zentralen Austrittsloch
in die nächste Kammer
hinein zunehmend verjüngen.
Es ergibt sich so eine Trichterform im Inneren des Blendenstapels. Durch
eine Eintrittsöffnung
in das Vakuumsystem oder eine Einlasskapillare wird Gas mit eingeschlossenen
Ionen aus einer vakuumexternen Ionenquelle in den offenen Ionentrichter
geblasen. Die Wand des Ionentrichters ist stark gasdurchlässig, da
sie aus den Stirnseiten der Lochblenden mit den dazwischen liegenden
freien Zwischenräumen
gebildet wird. Das Gas entweicht durch die Zwischenräume zwischen den
Lochblenden und wird von einer Vakuumpumpe abgepumpt. Nur sehr wenig
Gas tritt durch die kleine Austrittsöffnung in die nächste Kammer
der differentiellen Pumpanordnung ein. Die Lochblenden sind abwechselnd
mit den beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung (mehrere Hundert
Kilohertz bis mehrere Megahertz, einige hundert Volt) beaufschlagt. Dadurch
ergibt sich eine für
Ionen abstoßende
Wirkung der inneren Trichterwand. Funktionsweise und Wirkung dieses
abstoßenden „Pseudopotentials" ist in der zitierten
Patentschrift
US 5,572,035
A im Einzelnen beschrieben. Die Ionen werden dadurch abgehalten,
sich vom entweichenden Gasstrom durch die Zwischenräume zwischen
den Lochblenden mitnehmen zu lassen. Die Ionen werden abgesiebt.
Zusätzlich
sind die Lochblenden mit einer gestuften Gleichspannung (insgesamt
einige zehn Volt) versehen, die einen Potentialgradienten in der
Achse des Blendenstapels erzeugen, wodurch die Ionen durch ihre
Ionenmobilität
durch das stark verdünnte
Gas im Ionentrichter zwangsweise zum Austrittsloch geführt werden.
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Die
Ringblendensysteme einschließlich
des Ionentrichters haben den Vorteil eines aktiven Vortriebs der
Ionen zum Ausgang des Ringblendensystems. Sie haben aber den Nachteil,
dass die Ionen auch bei Vorhandensein eines kühlenden Dämpfungsgases nicht in der Achse
des Ringblendensystems gesammelt werden, da die die Ionen abstoßende Pseudokraft
nur nahe an der Außenwand
des durch die Blendenöffnungen
gegebenen Zylinders oder Konus wirkt, wie in 6 dargestellt.
Die Ionen füllen
also den gesamten Innenraum dieses Zylinders oder Konus; bei starker
Füllung
mit Ionen werden die Ionen sogar durch ihre eigene Coulombsche Abstoßung (ihre „Raumladungswirkung") verstärkt an die
Wand getrieben, während
der achsennahe Innenraum dann eine geringere Ionendichte aufweist.
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Die
abstoßende
Wirkung der Wände
um den Innenraum herum ist dazu noch verschieden für Ionen
verschiedener spezifischer Massen. Unter „spezifischer Masse" verstehen wir hier
das Verhältnis von
Masse zu Ladung. Für
schwere Ionen (Ionen hoher spezifischer Masse) findet die Refexion
der Ionen erst dicht vor der Wand statt, während leichte Ionen weiter
ab vor der Wand reflektiert werden. Die Pseudopotentialverläufe von
Ionen verschiedener spezifischer Massen sind in 6 wiedergegeben.
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Die
bekannt gewordene Ausführungsform des
Ionentrichters ist in dieser Sicht besonders nachteilig. Die veröffentlichte
Ausführungsform
hat den Nachteil, nur einen relativ schmalen Bereich der spezifischen
Massen durchzulassen. Sind die Blendenöffnung am Trichterausgang sehr
klein, so überlappt sich
das Pseudopotential der Wände
des engen Kanals, und es werden hier wegen des Anstiegs des sich überlappenden
Pseudopotentials leichte Ionen zurück in den Trichter reflektiert;
sie können
den Trichter nicht verlassen. Außerdem zeigt sich in der Achse
des Ionentrichters eine Welligkeit des Pseudopotentials, mit sammelnden
Potentialnäpfen,
die nur durch einen Mindestwert des Potentialgefälles in der Achse geleert werden
können.
Sind die Blendenöffnungen
am Trichterausgang zu groß,
so tritt zu viel Gas in die nächste
differentielle Pumpstufe. Folgt auf große Blendenöffnungen eine Ziehlinse mit
engen Öffnungen,
die die Ionen aus dem Ionentrichter absaugt, so können bei
starker Raumladung die schweren Ionen nicht abgesaugt werden, da
sie nach außen
an die Trichterwand getrieben werden und sich dem Ziehfeld der Ziehlinse
entziehen, da die Ziehlinse nur Ionen aus der Achse gut herausziehen
kann.
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Ein
bisher bekannt gewordener Ausweg ist ein Ionentrichter, der aus
jeweils viergeteilten Rundblenden besteht, wobei an den vier Quadranten
einer Rundblende reihum die beiden verschiedenen Phasen der Hochfrequenzspannung
anliegen. Die nächste
Rundblende trägt
die Phasen der Hochfrequenzspannung dann über Kreuz. Die Herstellung dieser
Quadrantentrichter ist aber außerordentlich schwierig
und teuer.
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Die
einzelnen Teilabschnitte der Massenspektrometer, die von den Ionen
zu durchlaufen sind, haben in der Regel sehr scharf definierte Akzeptanzprofile
für Querschnitt,
Richtungsverteilung und Energieverteilung der im Ionenstrahl angeboten
Ionen. Insbesondere der Strahlquerschnitt bewirkt eine hohe oder
niedrige Transmission der Ionen in den nächsten Abschnitt hinein. So
ist beispielsweise in der Literatur für ein Quadrupolfilter ein sehr
schmaler, elliptischer Akzeptanzquerschnitt angegeben. Der schmale
Akzeptanzquerschnitt erstreckt sich zwischen den beiden Polstäben, die
die Ionen anziehende Gleichspannung tragen. Ein Flugzeitmassenspektrometer
mit orthogonalem Einschuss der Ionen in einen Ionenpulser braucht
dagegen einen sehr feinen achsennahen Ionenstrahl mit möglichst
homogener Rich tungs- und Energieverteilung. Diese Anforderungen
sind durch die Ringblendenstapel bisheriger Bauart nicht zu erfüllen, so
sehr auch die Möglichkeit eines
aktiven Antriebs der Ionen in Achsenrichtung für die Verwendung von Blendenstapeln
spricht.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, Ionenleitsysteme bereitzustellen, die
einerseits einen aktiven Vorschub der Ionen im Inneren des Ionenleitsystems ermöglichen,
und andererseits eine Formung des Strahlquerschnitts, wenn möglich auch
eine Homogenisierung der Richtungs- und Energieverteilung.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt Ionenleitsysteme bereit, die Blendenstapel enthalten,
die mindestens teilweise nicht die bisher ausschließlich verwendeten
kreisrunden, sondern längliche
oder eingebuchtete Löcher
besitzen.
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Unter
einem „länglichen" Loch soll hier ein Loch
verstanden werden, dessen Durchmesser in Längsrichtung größer ist
als der in Querrichtung. Unter einem „eingebuchteten" Loch ist ein Loch
zu verstehen, dessen Innenrand Einbuchtungen zur Lochmitte hin aufweist,
so dass die Radien von der Lochmitte zu den Scheiteln der Einbuchtungen
jeweils kleiner als alle anderen Radien von der Lochmitte zum Lochrand
sind. Unter „ähnlichen" Löchern sind hier
Löcher
zu verstehen, die die gleiche Form, aber verschiedene Größe besitzen.
Dabei soll unter „ähnlich" auch verstanden
werden, dass die Größe der Löcher nur
in einer Durchmesserrichtung verschieden ist, in einer anderen Durchmesserrichtung
dagegen gleich.
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Die
Blendenstapel sind somit charakterisiert durch Lochformen, die nicht
einfach reflektierende zylindrische oder konische Wände besitzen,
sondern bestimmte Wirkungen auf die Form des Ionenstrahls im Inneren
des Blendenstapels ausüben.
Blendenstapel mit erfindungsgemäßen Formen
der Innenöffnungen
in den Lochblenden können
nicht nur den Ionenstrahl aktiv antreiben, sondern auch seinen Querschnitt
formen. In Verbindung mit einem dämpfenden Kühlgas im Blendenstapel können die
Ionen gekühlt und,
in Blendenstapeln mit geeigneten Lochformen, in bestimmten Bereichen
des Innenraums gesammelt werden. Das aktive Antreiben der Ionen
im Inneren des Blendenstapels ist dabei seit längerer Zeit bekannt, nicht
aber das Formen des Ionenstrahls. Insbesondere ist es mit besonderen
Loch- und Anordnungsformen möglich,
die gekühlten
Ionen in der Achse des Blendenstapels zu sammeln. Es wird hier ausdrücklich unter
dem Begriff „Querschnitt" des Ionenstrahls
nicht nur die äußere Kontur
des Ionenstrahls verstanden, sondern auch die Dichteverteilung die
Ionen im Strahlquerschnitt.
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Eine
besonders bevorzugte und durchaus überraschende Ausführungsform
eines solchen Blendenstapels ist in 1 wiedergegeben,
mit einer Blendenform, die zwei einander gegenüberliegende hyperbelförmige Einbuchtungen
aufweist. Es werden dabei Lochblenden identischer Form gestapelt,
wobei aber jede zweite Lochblende um 90° gedreht ist. In 2 ist
ein gekreuztes Blendenpaar detailliert dargestellt. Aufeinander
folgende Lochblenden liegen abwechselnd an den beiden Phasen einer
Hochfrequenzspannung. Es werden dadurch im Blendenstapel vier hyperbolische
Pseudowände gebildet,
die ein Quadrupolfeld aufspannen, wie man es von einem Quadrupolsystem
aus vier Polstäben kennt.
Jede dieser hyperbolischen Pseudowände trägt eine Phase der Hochfrequenzspannung.
Im Gegensatz zu einem Quadrupolsystem mit vier Polstäben lässt sich
aber hier ein aktiver Vorschub der Ionen einschalten. Ionen, die
ihre kinetische Energie an das dämpfende
Kühlgas
abgegeben haben, sammeln sich genau in der Längsachse des Blendenstapels.
Sie können
durch eine Potentialdifferenz längs der
Achse des Blendenstapels zum Ausgang bewegt werden, wobei sich die
antreibende Spannung nach Belieben einstellen lässt. Die Blenden des Blendenstapels
haben dabei in 1 und 2 eine Form, die
die elektrische Kapazität
des Blendenstapels durch geringe Überkreuzungsflächen (8)
minimiert.
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Die
Blenden können über schmale
Fortsätze (7)
in elektrische Platinen (3), (4), (5)
und (6) eingepasst und beispielsweise verlötet werden.
Auf den Platinen (3), (4), (5) und (6)
können
auch die elektrischen Beschaltungselemente, wie Widerstände und Kondensatoren,
untergebracht sein. Eine Beschaltung eines Blendenstapels ist beispielsweise
in 4 für
einen Ionentrichter gezeigt. Statt des Ionentrichters kann aber
auch jeder andere Blendenstapel in analoger Weise beschaltet werden.
Die Beschaltung verwendet einen Transformator für die Erzeugung der Hochfrequenzspannung,
wobei zwei identische Sekundärwicklungen über Mittelabgriffe die
Einspeisung einer regelbaren Gleichspannung für das Achsenpotential erlauben.
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Durch
geeignete Formgebung der Lochblenden können aber auch andere Querschnittsformen für den Ionenstrahl
erzeugt werden. Durch eine Serie von sich verjüngenden Schlitzblenden können, wie
in 3A und 3B gezeigt,
elliptische Strahlquerschnitte geformt werden. Durch geeignete Formgebung
der Blendenlöcher
kann sogar, wie in 5 dargestellt, ein Ionentrichter
zu einer Strahlteilung führen,
wobei die Strahlen aus zwei Blenden am Ende des Blendenstapels austreten.
Sind hinter den Löchern
quadrupolare Blendenstapel angeordnet, so lassen sich zwei sehr
feine Ionenstrahlen erzielen.
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Beschreibung der Abbildungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Blendenstapels, das ein Hochfrequenz-Quadrupolfeld
mit Vortriebsmöglichkeit
für die
Ionen ausbildet. Der Blendenstapel besteht aus Lochblenden der gleichen
Form (1) oder (2) (für Einzelheiten siehe 2),
die um jeweils 90° gegeneinander
gedreht sind. Die Lochblenden sind an den elektrischen Platinen
(3), (4), (5) und (6) verlötet und
werden von (nicht dargestellten) Schaltungen auf diesen Platinen mit
Hochfrequenz- und Gleichspannungen versorgt. Gegenüberliegende
Hyperbolflächen,
die aus einzelnen parallelen Blechstreifenkanten bestehen, liegen jeweils
an der gleichen Phase der Hochfrequenzspannung. Eine Befüllung mit
Dämpfungsgas
veranlasst die Ionen, sich nach Abgabe ihrer kinetischen Energie
genau in der Achse des Blendenstapels zu ver sammeln und dort unter
der Wirkung des Potentialgefälles
längs der
Achse zum Ausgang zu driften. Im Gegensatz zu einem Blendenstapel
aus Blenden mit kreisförmigen
Löchern
herrscht hier keine Welligkeit des Pseudopotentials in der Achse
des Blendenstapels.
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2 zeigt
die Lochblenden (1) und (2), die für den Blendenstapel
aus 1 verwendet werden. Die beiden Lochblenden (1)
und (2) haben identische Form und sind nur um 90° gegeneinander
gedreht im Blendenstapel montiert.
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3A und 3B zeigen
einen Ionentrichter mit quadratischer Eingangsöffnung (20), der sich
am Ausgang zu einem schmalen Rechteck verjüngt und so einen Ionenstrahl
mit elliptischem Querschnitt (23) erzeugt.
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4 zeigt
schematische eine Beschaltung eines Blendenstapels (hier: eines
Ionentrichters, wie er in 3 gegeben
ist) durch einen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen (11, 12)
und (13, 14), in deren Mittelabgriffe eine regelbare
Gleichspannung (10) eingespeist wird. Diese Gleichspannung
erzeugt den Spannungsabfall in der Achse des Blendenstapelsystems.
Die Spannungsteiler (16) und (17) sorgen für die Versorgung
der Lochblenden mit gestufter Gleichspannung, die Kondensatoren
an den Spannungsteilern für
die Zuführung
der Hochfrequenzspannung, wobei durch die Anordnung der Kondensatoren
in der gezeigten Schaltung die beiden Sekundärwicklungen jeweils gleichmäßig belastet
werden.
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5 gibt
einen Einblick in einen Ionentrichter, der sich zu zwei Ausgangöffnungen
hin verjüngt
und so zwei Ausgangsionenstrahlen erzeugt.
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6 zeigt
das abstoßende
Pseudopotential zwischen zwei Blendenwänden für schwere Ionen (33),
für mittelschwere
Ionen (32) und für
leichte Ionen (31). Wird der Kanal zwischen den Blendenwänden sehr
eng, beispielsweise am Ausgang eines Ionentrichters, so können leichte
Ionen nicht in das enge Teilstück
eintreten, weil sich die beiderseitigen Potentialanstiege zu überlappen
beginnen.
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7 gibt
eine Beschaltung eines quadrupolaren Blendenstapels aus 1 wieder,
wobei zusätzlich
zu einem axialen Potentialgefälle
auch noch den beiden Phasen der Hochfrequenzspannung zwei Gleichspannungen
verschiedener Polarität überlagert
sind. Bei identischen Spannungen an den Spannungsgeneratoren (42),
(43), (44) und (45) entsteht die Wirkung
eines Quadrupolfilters, das nur Ionen eines eingeschränkten Bereichs
spezifischer Massen durchlässt.
Sind die Spannungen (44) und (45) gleich Null,
so erhält
man eine Rampe, wobei am Eingang (41) des Blendenstapels
nur die reine Hochfrequenzspannung vorhanden ist, während zum
Ausgang (42) hin die Überlagerung
beider Phasen der Hochfrequenzspannung mit zwei Gleichspannungen verschiedener
Polarität
zunimmt. Dadurch wird der durchgelassene Bereich spezifischer Massen
der Ionen immer mehr eingeschränkt,
die durchgelassenen Ionen verbleiben aber bei Kühlung in der Achse des Blendenstapels.
Diese Beschaltung macht den Blendenstapel zu einem idealen Vorfilter
für ein
massenselektives Präzisionsquadrupolfilter.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Die
Erfindung stellt besondere Ionenleitsysteme auf der Basis von Lochblendenstapeln
bereit, die nicht nur den Ionenstrahl aktiv vorwärts treiben, sondern auch im
Querschnitt formen können.
In Verbindung mit einem dämpfenden
Kühlgas
können
Ionen in bestimmten Bereichen des Innenraums der Blendenstapel gesammelt
werden.
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Die
charakterisierende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Blendenstapel ist es, dass
sie zumindest teilweise nicht mehr die bisher ausschließlich verwendeten
kreisrunden, koaxialen Löcher
in den Blenden enthalten, sondern Lochblenden mit länglichen
oder eingebuchteten Löchern.
Eine weitere erfindungsgemäße Eigenschaft
besteht darin, dass aufeinander folgende Blenden, die nun nicht mehr
rotationssymmetrisch sind, um jeweils feste Winkel gegen einander
verdreht angeordnet sein können.
Es lassen sich durch die erfindungsgemäßen Eigenschaften besondere
Wirkungen auf den Ionenstrahl erzielen, insbesondere Wirkungen auf
den Querschnittsform des Ionenstrahls und die Energiehomogenität im Ionenstrahl.
Das aktive Antreiben der Ionen im Inneren des Blendenstapels ist
dabei seit längerer
Zeit bekannt, nicht aber das Formen des Ionenstrahls. Beispielsweise
ist es möglich,
durch besondere Formgebung der Löcher
in den Blenden und besondere Verdrehwinkel aufeinander folgender Lochblenden
in Verbindung mit einer Füllung
mit Kühlgas
die gekühlten
Ionen in der Achse des Blendenstapels zu sammeln, was bei kreisrunden
Löchern
niemals möglich
ist. Unter „Querschnittsform" wird hier also nicht
nur die äußere Kontur
des Ionenstrahls verstanden, sondern auch die Dichteverteilung die
Ionen im Strahlquerschnitt.
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Die
Bezeichnung „Lochblenden" soll dabei nicht
im strengen Sinne so verstanden werden, dass die Blenden nur Löcher mit
vollkommen geschlossener Innenkontur enthalten dürfen. Der Begriff „Löcher" soll vielmehr so
verstanden werden, dass es ein den Innenraum umschließendes Potential
gibt. Dabei kann das Loch an solchen Stellen, die nicht auf den
Ionenstrahl einwirken, auch zum äußeren Blendenrand
hin offen sein, solange alle Teile der Lochblende an die gleiche
Spannung angeschlossen sind.
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Durch
geeignete Formgebung der Lochblenden können gewünschte Querschnittsformen für den Ionenstrahl
erzeugt werden. Beispielsweise können durch
eine Serie von sich verjüngenden
Schlitzblenden, wie in 3A und 3B gezeigt,
elliptische Strahlquerschnitte geformt werden. Schmale elliptische
Strahlquerschnitte gelten in der Literatur als ideale Akzeptanzprofile
für Hochfrequenz-Quadrupolfilter.
Dabei kann im Inneren dieses Schlitzblendentrichters ein Potentialgradient
eingestellt werden, der die Ionen zum schmalen Schlitzausgang treibt.
In 4 ist eine Beschaltung mit Hochfrequenz- und Gleichspannungen
gezeigt, die einen solchen Antrieb der Ionen erzeugt.
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Die
Art der Beschaltung nach 4 kann in analoger Weise ganz
allgemein für
alle Blendenstapel verwendet werden, in denen ein Vortrieb der Ionen
eingestellt werden soll. Statt des Ionentrichters mit Schlitzblenden
kann also auch jeder andere Blendenstapel so beschaltet werden.
Die Beschaltung verwendet einen Transformator mit einer einzigen Primär wicklung
(15) für
die Erzeugung der Hochfrequenzspannung, wobei zwei identische Sekundärwicklungen
(11, 12) und (13, 14) über Mittelabgriffe die
Einspeisung einer regelbaren Gleichspannung (10) für das Achsenpotentialgefälle erlauben.
Die beiden identischen Sekundärwicklungen
können
beispielsweise durch zwei verdrillte, gegeneinander isolierte Hochfrequenzlitzen
hergestellt werden. Der Transformator kann dabei ein Lufttransformator
auf einem Keramikrohr, ein HF-Transformator auf einem geraden Ferritkern,
ein Transformator mit einem Ringkern oder eine sonst übliche Form
eines Transformators sein. Die beiden Spannungsteilerketten (16)
und (17), mit Kondensatoren für die gleichmäßige Zuführung der
Hochfrequenzspannung zu jeder einzelnen Lochblende, versorgen die
Blenden des Blendenstapels mit Gleichspannungspotentialen und Hochfrequenzspannungen.
Die Ionen können
so zum engen Ausgang (18) des hier gezeigten Schlitzblendenstapels
getrieben werden.
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Durch
geeignete Formgebung der Blendenlöcher kann sogar, wie in 5 dargestellt,
ein Ionentrichter einen Ionenstrahl teilen, wobei die beiden Teilstrahlen
aus zwei Blenden am Ende des Blendenstapels austreten. Die Blendenlöcher aufeinander
folgender Lochblenden sind dabei zunächst kreisrund, dann elliptisch-länglich,
dann erdnussförmig
eingebuchtet, bis sie bei Doppellöchern ankommen. Sind hinter
den Löchern
quadrupolare Blendenstapel angeordnet, wie sie unten ausführlich geschildert
werden, so lassen sich zwei sehr feine Ionenstrahlen erzielen. Die
quadrupolaren Blendenlöcher
für zwei
Ionenstrahlen können
dabei jeweils in einer Blende angeordnet sein.
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Die
Anordnung mehrerer Löcher
pro Blende kann auch mehrere Ionenstrahlen vereinigen. So können mehrere
Trichter die Ionen aus mehreren Gasstrahlen ausfiltern und zusammen
in einen weiteren Ionentrichter führen. In dieser Weise können Ionen
aus mehreren Ionenquellen, beispielsweise Quellen für Analyt-
und Referenzionen, zusammengeführt
werden.
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Eine
besonders spektakuläre
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Blendenstapels
ist in 1 wiedergegeben, mit einer einzigen eingebuchteten
Blendenform, die in 2 als gekreuztes Blendenpaar
dargestellt ist: Es werden hier durch die Öffnungskanten an hyperbelförmigen Einbuchtungen im
Blendenstapel vier hyperbolische Pseudowandflächen gebildet, die zwischen
sich ein Quadrupolfeld aufspannen, wie man es von einem Quadrupolsystem
aus vier Polstäben
kennt. Jede dieser hyperbolischen Pseudowandflächen trägt eine Phase der Hochfrequenzspannung,
gegenüberliegende
Pseudowandflächen
tragen dabei jeweils die gleiche Phase. Eine besondere Wirkung entfaltet
dieser quadrupolare Blendenstapel bei Füllung mit einem Kühlgas: Ionen,
die ihre kinetische Energie an das Bewegungen dämpfende Kühlgas abgegeben haben, sammeln
sich wegen des gut ausgebildeten Minimums des Pseudopotentials genau
in der Längsachse
des Blendenstapels. Eine solche Wirkung lässt sich in Blendenstapeln
mit runden Löchern
niemals erzielen. Im Gegensatz zu einem Quadrupolsystem mit Polstäben, das
allein eine ähnliche
Wirkung entfalten kann, lässt
sich aber hier relativ leicht ein aktiver Vorschub der Ionen einschalten.
Die Ionen können
durch eine Potentialdifferenz längs
der Achse des Blendenstapels, die durch eine Beschaltung wie in 4 erzeugt
wird, selbst durch ein stark bremsendes Kühlgas hindurch zum Ausgang
bewegt werden, wobei sich die antreibende Spannung nach Belieben
einstellen lässt.
Die Bewegung der Ionen durch das Kühlgas hindurch zum Ionenausgang
lässt sich
sogar dann erzielen, wenn das Kühlgas
entgegenströmt.
Da die Achse des quadrupolaren Blendenstapels keine Welligkeit des
Pseudopotentials aufweist (ein weiterer Vorteil dieser Anordnung),
kann der Potentialgradient in der Achse beliebig klein gewählt werden,
gerade ausreichend, um die Ionen in die gewünschte Richtung zu lenken.
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Normalerweise
haben Blendenstapel wegen der dicht an dicht liegenden Blenden eine
sehr hohe elektrische Kapazität,
die es erforderlich macht, sehr leistungsstarke Hochfrequenzgeneratoren
zu verwenden. Nicht so der quadrupolare Blendenstapel nach 1.
Die Blenden (1) und (2) des Blendenstapels haben
dabei eine Form, die die elektrische Kapazität des Blendenstapels minimiert,
weil sich, wie in 2 gezeigt, in den Überkreuzungsstellen (8)
nur sehr kleine Flächen
der Blenden mit verschiedenen Hochfrequenzphasen gegenüberstehen.
Die Überkreuzungsflächen können noch
kleiner gemacht werden, wenn die Blenden in der Überkreuzungszone noch schmaler
gemacht werden.
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Der
Blendenstapel nach 1, der im Inneren ein quadrupolares
Hochfrequenzfeld aufspannt, wird im Folgenden vereinfachend als „quadrupolarer Blendenstapel" bezeichnet.
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Die
Lochblenden des quadrupolaren Blendenstapels können, wie auch andere Formen
von Blendenstapeln, über
schmale Fortsätze
(7) an den Lochblenden in elektrische Platinen (3),
(4), (5) und (6) eingepasst und beispielsweise
dort verlötet
werden. Auf den Platinen (3), (4), (5)
und (6) können auch
die elektrischen Beschaltungselemente, wie Widerstände und
Kondensatoren untergebracht sein. Die Platinen übernehmen dabei sowohl die
Halterung der Lochblenden wird auch deren elektrische Versorgung.
Die schmalen Fortsätze
(7) können
aber auch einfach in geeignete Steckerleisten eingesteckt werden,
wobei die Steckerleisten auf Platinen aufgebracht sind. Die Platinen
können
dabei als normale Kunststoffplatinen ausgebildet sein, aber auch,
bei besonderen Anforderungen an die Reinheit des Vakuums, aus Keramik
oder Glaskeramik.
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Die
Beschaltung des quadrupolaren Blendenstapels kann genau so erfolgen,
wie es in 4 für einen Ionentrichter gezeigt
ist, also eine Beschaltung mit einem Transformator für die Erzeugung
der Hochfrequenzspannung, wobei die Mittelabgriffe der zwei identischen
Sekundärwicklungen
(11, 12) und (13, 14) die Einspeisung
einer regelbaren Gleichspannung (10) für das Achsenpotential erlauben.
Der quadrupolare Blendenstapel kann aber auch als Massenfilter eingesetzt
werden, indem den beiden Phasen der Hochfrequenzspannung zwei Gleichspannungen
entgegengesetzter Polarität
zugemischt werden, wie es in 7 dargestellt
ist. Sind die Gleichspannungen (42), (43), (44)
und (45) alle gleich, so ergibt sich ein Massenfilter,
dessen Bereich spezifischer Massen für die durchgelassenen Ionen durch
die Höhe
dieser Gleichspannung (42, 43, 44, 45)
eingestellt werden kann. Durch die einstellbare Spannung (46)
wird dabei ein axiales Potentialgefälle aufrecht erhalten.
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Sind
die Hochfrequenzspannungen, die an die Lochblenden gelegt werden
sollen, nicht sehr hoch, beispielsweise unter 1000 Volt Spitze gegen Null,
so können
HF-Generatoren mit Direktausgang (ohne Transformatoren) verwendet
werden, wobei die Überlagerung
mit Gleichspannungen analog zu den Schaltungen in den 4 und 7 vorzunehmen
sind.
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Besonders
interessant ist aber eine Art der Beschaltung des quadrupolaren
Blendenstapels, die aus dem Blendenstapel ein rampenförmig wirkendes Vorfilter
für ein
Präzisionsmassenfilter
macht. Dazu werden in 7 die Gleichspannungen (44)
und (45) zu Null gewählt.
Die beiden Spannungsgeneratoren (44) und (45)
können
also vollständig
entfallen. Der Blendenstapel trägt
dann am Eingang (40) eine reine Hochfrequenzspannung ohne Überlagerung mit
Gleichspannungen, während
am Ausgang (41) die beiden Gleichspannungen (42)
und (43) entgegen gesetzter Polarität voll überlagert sind. Auf dem Wege
vom Eingang (40) zum Ausgang (41) werden bereits
alle Ionen mit deutlich zu kleiner und zu großer spezifischer Massen zunehmend
ausgefiltert. Die Ionen werden dabei durch eine sehr kleine Spannung (46)
langsam vorwärts
getrieben. Durch ein Kühlgas bleiben
die durchgelassenen Ionen in der Achse des Blendenstapels. Es ist
zweckmäßig, das
anschließende
quadrupolare Präzisionsmassenfilter
mit gleichem Durchmesser, gleicher Frequenz und gleicher Phase der
Hochfrequenzspannung zu betreiben. Es lassen sich dann die Ionen
mit sehr geringer Energie von nur Bruchteilen eines Elektronvolts
in das Präzisionsmassenfilter
einschießen,
was normalerweise nicht gelingt. Durch das Vorfilter werden sowohl
das Streufeld der Hochfrequenzspannung wird auch das Streufeld der
Gleichspannungen am Eingang in das Präzisionsmassenfilter beseitigt
oder zumindest minimiert, wodurch der niederenergetische Einschuss der
Ionen ermöglicht
wird. Dieses Vorfilter hat den Vorteil, dass ein sehr kurzes Präzisionsmassenfilter verwendet
werden kann; es kann sogar das Präzisionsmassenfilter mit Kühlgas betrieben
werden, was ohne ein solches Vorfilter nicht möglich ist.
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Am
Ausgang des Präzisionsmassenfilters kann
ein Blendenstapel angeordnet sein, der mit einer entgegengesetzten
Spannungsrampe beschaltet ist. Die selektierten Ionen werden in
diesem Nachfilter sicher und stabil in der Achse des Blendenstapels gehalten.
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Ein
quadrupolarer Blendenstapel kann insbesondere sehr günstig als
Stoßzelle
für die
Fragmentierung von ausgewählten
Ionen verwendet werden. Es ist damit möglich, in der Stoßzelle einen
sehr hohen Druck des Stoßgases
zwischen 0,01 und 1 Pascal, vorzugsweise um 0,1 Pascal herum, zu
verwenden. Die eingeschossenen selektierten Ionen fragmentieren
dann auf sehr kurzem Wege von einigen Zentimetern; die Fragmentionen
bleiben dann allerdings im Stoßgas
stecken, weil sie durch die vielen Stöße alle ihre kinetische Energie
verlieren. Nur durch das axiale Potentialgefälle können sie dann zum Ausgang der
Stoßzelle
driften, wobei sie sich genau in der Achse des Blendenstapels bewegen und
sich von dort durch geeignete Ziehlinsen absaugen und zu feinen,
sehr parallelen Ionenstrahlen homogener Energieverteilung formen
lassen.
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Eine
weitere Anwendung des quadrupolaren Blendenstapels dient der Selektion
von pulsförmig eingebrachten
Ionen durch ihre formabhängige
Ionenmobilität
in einem Stoßgas. Beispielsweise
können
Ionen gleicher Masse, aber verschiedener Molekülform durch ihre verschiedene
Driftgeschwindigkeit in einem Stoßgas bei einem kontinuierlich
anliegenden elektrischen Axialfeld zeitlich getrennt werden. Die
Ionen verschiedenartiger Molekülform
können dann
beispielsweise in einem Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem
Ionen-einschuss zeitlich nacheinander gemessen werden.
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Die
Lochblenden der Blendenstapel können vorzugsweise
aus metallischen Blechen gefertigt werden. Die Lochblenden können beispielsweise
aus Edelstahl, aus Nickel oder aus vernickelten Aluminium bestehen.
Auch metallisierte oder sonst elektrisch leitende Kunststoffblenden
können
verwendet werden. Von der Auswahl des Materials hängt die Fertigungsmethode
für die
Lochblenden ab. Metallische Lochblenden können beispielsweise durch Laserschneiden,
durch Wasserstrahlschneiden, durch Formätzen oder durch einfaches Stanzen
erzeugt werden. Für
Lochblenden aus Aluminium bietet sich ein Formätzen an, das sehr ebene und
spannungsfreie Lochblenden liefert und sehr filigrane Formen hoher
Präzision
zulässt;
die Aluminiumblenden können
anschließend
vernickelt werden, damit sie keine isolierenden Oxidschichten ausbilden.
Lochblenden aus Edelstahl können
vorzugsweise gestanzt werden, sie sind dann, nach einmaliger Herstellung
der Stanzwerkzeuge, außerordentlich
preiswert herzustellen.
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Die
Lochblenden sind, je nach der Innengröße der Löcher, zischen 0,3 und 1,5 Millimeter
dick und werden mit Zwischenräumen
von ebenfalls etwa 0,3 bis 1,5 Millimeter montiert. Wird beispielsweise der
quadrupolare Blendenstapel nach 1 mit einem
Scheiteldurchmesser von acht Millimeter zwischen den Hyperbolscheiteln
gefertigt, so sind Dicken der Lochblenden von 0,4 bis 0,8 Millimeter günstig, bei
etwa gleichen Maßen
für die
Zwischenräume.
Die Zwischenräume
brauchen aber nicht unbedingt von gleicher Größe sein wie die Dicken der Lochblenden.
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Die
Montage der Lochblenden wird vorzugsweise über einem Formkern ausgeführt, wobei
der Formkern nach der Befestigung der Lochblenden einfach herausgezogen
wird. Der quadrupolare Blendenstapel nach 1 kann auf
einem Quadrupolformkern aufgebaut werden, der die Lochblenden gut koaxial
führt und
gut gegen Verdrehungen sichert. Zwischen die Lochblenden werden
jeweils geeignet geformte Abstandsbleche gelegt, die mindestens zwei Überlappungsstellen
(8) überdecken
müssen, und
die so geformt sind, dass sie sich nach Befestigung der Lochblenden
und Entfernen des Montagekerns einfach herausziehen lassen.
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Am
Ende des Blendenstapels kann auch eine Ziehlinse für die Überführung der
Ionen in die nächste
Stufe des Massenspektrometers in die Struktur des Blendenstapels
integriert werden. Die Ziehlinse besteht vorzugsweise aus drei Lochblenden,
an deren mittlerer Lochblende das Saugpotential für die Ionen
liegt. Die erste Ziehlinsenlochblende liegt auf einem Potential,
das die Ionen im Inneren des Blendenstapels leicht abstößt. Das
Saugpotential der zweiten Ziehlinsenlochblende greift durch die Öffnung der
ersten Ziehlinsenlochblende hindurch und saugt die dort befindlichen
Ionen ab. Die beschleunigten Ionen werden durch die Öffnung in
der dritten Ziehlinsenlochblende hindurchgeschleudert, wobei sie
durch das Gleichspan nungspotential an der dritten Ziehlinsenlochblende
wieder abgebremst werden können.
Sollen Druckdifferenzen in den verschiedenen Stufen aufrecht erhalten
werden, so kann eine der drei Ziehlinsenlochblenden die Kammerwand
zur nächsten
Stufe bilden. Die Ziehlinsenblenden werden im Allgemeinen nicht
mit Hochfrequenzspannungen versorgt, sie sind nur mit Gleichspannungspotentialen
beaufschlagt.
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Die
Lochblenden der Ziehlinse können
ebenfalls an den elektrischen Platinen befestigt sein und über diese
mit ihren Gleichspannungspotentialen versorgt werden.
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Es
können
auch Blendenstapel der oben beschriebenen Ausführungsarten miteinander kombiniert
werden. So ist es möglich,
den Stapel eines Ionentrichters bisheriger Bauart, aber mit relativ
großer Austrittsöffnung,
mit einem quadrupolaren Blendenstapel zu kombinieren; entweder als
einem einzigen Blendenstapel mit durchgehenden Beschaltungsplatinen,
oder als zwei getrennte, nacheinander angeordnete Blendenstapel.
Hierdurch wird der Nachteil der Ionentrichter, die Ionen nicht in
der Achse zu sammeln, im quadrupolaren Teil des Blendenstapels kompensiert.
Insbesondere bei Verwendung von Ziehlinsen ist dieses Sammeln der
Ionen in der Achse vorteilhaft.
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Ein
Blendenstapel kann auch aus Blenden bestehen, deren Öffnungen
einen kontinuierlichen Übergang
von den koaxialen Löchern
eines Ionentrichters zu den Formen eines quadrupolaren Blendenstapels
aufweisen. Ganz allgemein können
die Formen von Löchern
für eine
bestimmte Wirkung kontinuierlich auf die Formen von Löchern für eine andere
Wirkung auf den eingeschossenen Ionenstrahl übergehen.
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Von
besonderem Interesse sind Ionenleitsysteme, die aus mehreren Blendenstapeln,
gegebenenfalls mit Einbezug andersartiger Ionenleitsysteme, in komplexer
Weise zusammengesetzt sind und dabei komplexe Funktionen erfüllen.
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Ein
solches komplexes System kann die Ionen aus einem Gasstrahl ausfiltern,
die Ionen dann fokussiert durch mehrere differentielle Pumpstufen führen, eine
Ionensorte für
eine nachfolgende Fragmentierung selektieren, die so ausgewählten Ionen anschließend fragmentieren
und die Fragmentionen zu einem feinen, axialen Strahl ausbilden.
Der so geformte Strahl von Fragmentionen kann dann in einem Massenanalysator
analysiert werden. Als Massenanalysatoren können dabei Quadrupol-Massenfilter, Hochfrequenz-Quadrupol-Ionenfallen,
Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss oder
auch Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer verwendet werden.
Alle diese Arten von Massenspektrometern akzeptieren mit Vorteil
die so gebildeten feinen, axialen Ionenstrahlen.
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Das
geschilderte komplexe System kann beispielsweise folgendermaßen aussehen:
In der ersten differentiellen Pumpstufe befindet sich zunächst eine
Kombination aus einem herkömmlichen Ionentrichter
mit weiter Ausgangsöffnung
von etwa sechs Millimeter Lochdurchmesser mit einem quadrupolaren
Blendenstapel von acht Millimeter Scheiteldurchmesser und einer
Ziehlinse, die den gut fokussierten Ionenstrahl in die nächste Pumpstufe über führt. Der
Ionentrichter hat eine Länge
von etwa sechs Zentimetern, der quadrupolare Blendenstapel hat vier
Zentimeter Länge.
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In
der nächsten
Pumpstufe befindet sich nur ein quadrupolarer Blendenstapel von
vier Zentimeter Länge.
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In
der dritten Pumpstufe, die sich auf einem Kühl- oder Stoßgasdruck
zwischen 0,01 und 1 Pascal befindet, vorzugsweise auf etwa 0,1 Pascal,
befinden sich hintereinander vier Zentimeter quadrupolarer Vorfilter,
vier Zentimeter Präzisionsmassenfilter,
vier Zentimeter Nachfilter und zwölf Zentimeter Stoßzelle, ebenfalls
als quadrupolarer Blendenstapel ausgeführt.
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Alle
quadrupolaren Blendenstapel haben, ebenso wie das Präzisionsmassenfilter,
einen Scheiteldurchmesser von acht Millimeter. Das Präzisionsmassenfilter
eine durch Funkenerosion gefertigte Struktur (Patentanmeldung
DE 10 2004 037 511
A1 ) oder ein Glasquadrupol (
DE 2 737 903 C2 ,
US 4 213 557 A ) sein. Die
vier jeweils vier Zentimeter langen quadrupolaren Blendenstapel
für erste
Pumpstufe, zweite Pumpstufe, Vorfilter und Nachfilter können alle
identisch aufgebaut und nur verschiedenartig beschaltet sein. Zwischen
dem Nachfilter und der Stoßzelle
herrscht ein Potentialunterschied von einstellbar 30 bis 80 Volt,
der den Ionen die kinetische Energie für den harten Einschuss in die
Stoßzelle
liefert. Sind die Blenden alle 0,5 Millimeter dick, und sind sie alle
mit 0,5 Millimeter Zwischenraum montiert, so werden insgesamt 280
gleiche Blenden für
die quadrupolaren Blendenstapel benötigt.
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Die
gesamte Struktur ist nur 38 Zentimeter lang; außergewöhnlich kurz für eine solch
komplexe Funktion. Es ist zu beachten, dass auch das Präzisionsmassenfilter
bei hohem Kühlgasdruck
betrieben wird, daher wird es sehr kurz ausgeführt, um nur geringe Ionenverluste
durch ungünstig
verlaufende Stoßkaskaden
in Kauf nehmen zu müssen.
Die kurze Form wird aber nur durch Vorfilter und Nachfilter ermöglicht.
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Durch
die Kenntnis der erfindungsgemäßen Grundgedanken
ist es dem Fachmann möglich,
die geschilderten Ausführungsformen
in vielfältiger
Weise zu kombinieren oder abzuwandeln. So kann beispielsweise ein
vorwärts
treibendes Hexapolsystem aus Lochblenden mit jeweils drei Ausbuchtungen
geformt werden, wobei aufeinander folgende Lochblenden jeweils um
60° gedreht
montiert werden. Es können
Lochblendensysteme gebaut werden, die mehrere Phasen einer Hochfrequenzspannung
verwenden. Es können,
besonders durch eine Versorgung mit Transformatoren, die mehr als
nur zwei Sekundärwicklungen
haben, schaltbare Speicherzellen für Ionen gebaut werden. Alle
diese Ausführungsformen sollen
hier sinngemäß eingeschlossen
sein.