DE102006016259A1

DE102006016259A1 - HF-Multipol-Ionenleitsysteme für weiten Massenbereich

Info

Publication number: DE102006016259A1
Application number: DE102006016259A
Authority: DE
Inventors: Jochen Franzen
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: GB2438698A; US20070284524A1; DE102006016259B4; GB0706418D0; US7595486B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Multipolsysteme, die mit Hochfrequenzspannungen betrieben werden und als Ionenleitsysteme zum Sammeln oder Weiterleiten von Ionen dienen. Die Erfindung besteht darin, durch eine Vergrößerung der Inhomogenitäten der elektrischen Hochfrequenzfelder vor den polbildenden Elektroden der Ionenleitsysteme eine Vergrößerung des Massenbereiches für die wirksame Leitung der Ionen zu erzielen, dabei aber in Achsennähe ein möglichst ausgeprägtes Minimum des Pseudopotentials zu erhalten. Besonders günstige Ionenleitsysteme dieser Art erlauben die Einschaltung eines axialen Gleichfeldes zum aktiven Transport der Ionen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Multipolsysteme, die mit Hochfrequenzspannungen betrieben werden und als Ionenleitsysteme zum Sammeln oder Weiterleiten von Ionen dienen.
Die Erfindung besteht darin, durch eine Vergrößerung der Inhomogenitäten der elektrischen Hochfrequenzfelder vor den polbildenden Elektroden der Ionenleitsysteme eine Vergrößerung des Massenbereiches für die wirksame Leitung der Ionen zu erzielen, dabei aber in Achsennähe ein möglichst ausgeprägtes Minimum des Pseudopotentials zu erhalten. Besonders günstige Ionenleitsysteme dieser Art erlauben die Einschaltung eines axialen Gleichfeldes zum aktiven Transport der Ionen.
Stand der Technik
Seit mehr als zwei Jahrzehnten werden Hochfrequenz-Multipol-Stabsysteme als Ionenleitsysteme eingesetzt. Besonders bekannt sind Hochfrequenz-Quadrupol-Stabsysteme mit vier Polstäben nach Wolfgang Paul, aber es werden auch gerne Hexapol- oder Oktopol-Stabsysteme eingesetzt. Die Stabsysteme können aus runden Polstäben bestehen, günstiger sind jedoch Stäbe mit hyperbolischen Formen, insbesondere für Quadrupol-Stabsysteme.
Die Multipolsysteme beruhen auf der Wirkung so genannter „Pseudopotentiale", die sich in inhomogenen Wechselfeldern ergeben. Ein Wechselfeld an der Spitze eines Drahtes, dessen Feldstärke bekanntlich mit 1/r² abfällt, oder auch das Wechselfeld um einen langen Draht, das mit 1/r abfällt, reflektiert sowohl positive wie auch negativ geladene Teilchen. Der Grund dafür ist, dass das Teilchen im Wechselfeld des Drahtes schwingt. Es erlebt dabei, unabhängig von seiner Ladung, seine größte Abstoßung vom Draht genau dann, wenn es sich am Punkt seiner Schwingung mit der kleinsten Distanz zum Draht befindet, also im Punkt höchster Feldstärke, und die größte Anziehung dann, wenn es sich im weitest entfernten Punkt befindet, also im Punkt geringster Feldstärke auf seiner Bahn. Integriert über die Zeit, ergibt sich so eine Abstoßung des Teilchens von der Spitze weg. Das durch zeitliche Integration gewonnene Abstoßungsfeld kann durch das „Pseudopotential" beschrieben werden, das dem Quadrat der Wechselfeldstärke proportional ist. Daraus kann durch Ableitung ein elektrisches „Pseudokraftfeld" gewonnen werden. Für die Drahtspitze fällt das abstoßende Pseudopotential mit 1/r⁴, für den langen Draht mit 1/r² nach außen ab, ist aber in beiden Fällen noch umgekehrt proportional abhängig von der Masse der Ionen und dem Quadrat der Frequenz.
Hat man zwei Drahtspitzen nebeneinander, die mit den beiden gegenläufigen Phasen einer Hochfrequenzspannung belegt werden, so stoßen beide Spitzen für sich geladene Teilchen ab. Ihre gemeinsame Wirkung verstärkt sich. Das Wechselfeld dieses Dipols fällt aber bereits stärker als nur mit 1/r² ab. Ordnet man ein ganzes zweidimensionales Feld aus Drahtspitzen an, wobei jeweils benachbarte Spitzen in beiden Dimensionsrichtungen mit verschiedenen Phasen der Hochfrequenzspannung beaufschlagt werden, so erhält man eine Fläche, die Teilchen beider Polaritäten auf kurze Distanz abstößt und so reflektiert. Es handelt sich dabei nicht um eine spiegelnde, sondern eine diffuse Reflektion. In einem Abstand vor diesem Feld, der groß ist gegenüber dem Abstand der Spitzen zueinander, ist praktisch kein Feld mehr zu spüren.
Auch das Feld, das von langen, parallel angeordneten Drähten ausgeht, bildet einen Ionenreflektor, wenn jeder zweite Draht mit der einen Phase der Hochfrequenzspannung, die übrigen Drähte mit der anderen Phase belegt werden. Ein Gemisch aus Spitzen und Drähten ist ebenfalls möglich, so etwa ein Maschennetz, wobei sich in jeder Masche eine Drahtspitze befindet.
Die Fläche aus parallelen Drähten ergibt ebenfalls ein Wechselfeld, das eine nur kurze Reichweite in den Raum außerhalb der Fläche hat. Die Reflektion ist in Längsrichtung der Drähte spiegelnd, in Querrichtung diffus. Bei einer unendlich ausgedehnten Anordnung fällt das Feld nach außen zu in etwa exponentiell ab. Herrscht an der Oberfläche eines Stabes, der einen Radius von einem Zehntel des Abstandes der Drähte hat, ein Feld der Stärke F so herrscht in einer Entfernung von einem Drahtabstand nur noch 5 % der Feldstärke F in einer Entfernung von zwei Drahtabständen nur noch 0,2 % der Feldstärke F in einer Entfernung von drei Drahtabständen nur noch 0,009 % der Feldstärke F. Das abstoßende Pseudopotential, das dem Quadrat dieser Feldstärke proportional ist, fällt daher noch schärfer ab.
Die reflektierende Wirkung von Hochfrequenzspannungen an bipolaren Spitzen- oder Drahtgittern wurde bereits in US 5,572,035 A (J. Franzen) beschrieben. Die Multipol-Stabsysteme sind Grenzfälle solcher auf parallelen Drähten aufgebauter Reflektionswände, wobei die Drähte eine zylindrische Wand bilden.
Betrachtet man das Pseudopotential im Querschnitt eines Quadrupol-Stabsystems, so weist es in der Achse des Stabsystems ein Minimum aus. Das Pseudopotential steigt von der Achse ausgehend nach allen Seiten hin quadratisch an. Das rotationssymmetrisch-parabelförmige Minimum des Pseudopotentials im Querschnitt bildet längs der Achse des Stabsystems eine Potentialrinne. Wird ein solches Stabsystem mit einem Stoßgas in einem Druckbereich von 0,01 bis 1 Pascal befüllt, so geben eingeschossene Ionen durch Stöße mit diesem Stoßgas ihre kinetische Energie weitgehend ab und sammeln sich mit nur noch thermischer Energie in dieser Potentialrinne längs der Achse. Diese Wirkung ist auch bei langsamem Durchflug der Ionen zu beobachten. Dieser Vorgang, seit den frühen 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts bekannt, wird inzwischen „Stoßfokussierung" genannt.
Die Stoßfokussierung hat für die meisten modernen Massenspektrometern eine hohe Bedeutung. Der Einschuss von Ionen in eine nächste Stufe eines Massenspektrometers, beispielsweise in ein nächstes Ionenleitsystem oder in einen Ionenanalysator, hängt praktisch immer vom Strahlquerschnitt der Ionen ab. Ein sehr feiner Strahlquerschnitt, wie er durch die Stoßfokussierung erzeugt wird, ist in praktisch allen Fällen von Vorteil. Das gilt für einen Einschuss in ein Quadrupol-Massenfilter genauso wie für den Einschuss in eine Ionenfalle, in ganz besonderem Maße gilt es für den Einschuss in ein Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonaler Ionenauspulsung in die Flugstrecke.
Die für die Führung von Ionen verwendeten Stabsysteme sind im allgemeinen sehr schlank und lang, um die Ionen in einem Gebiet sehr kleinen Durchmessers zu konzentrieren. Sie können dann vorteilhaft mit niedrigen Hochfrequenzspannungen betrieben werden und bilden einen guten Ausgangspunkt für die weitere ionenoptische Abbildung der Ionen. Der lichte zylindrische Innenraum hat oft nur etwa 2 bis 4 Millimeter Durchmesser, die Stäbe sind weniger als einen Millimeter dick, und das System ist 2 bis 25 Zentimeter lang. Unter „langen" Polstäben sollen hier solche Polstäbe verstanden werden, die länger sind als der Scheitelabstand zwischen gegenüberliegenden Polstäben.
Unter dem Begriff „Masse" werde hier immer die „ladungsbezogene Masse" m/z verstanden, die allein in der Massenspektrometrie eine Rolle spielt, und nicht einfach die „physikalische Masse" m. Die Zahl z gibt die Anzahl der Elementarladungen an, also die Anzahl der überschüssigen und nach außen als Ionenladung wirksamen Elektronen oder Protonen des Ions. Ausnahmslos kann in allen Massenspektrometer immer nur die ladungsbezogene Masse m/z gemessen werden, nicht die physikalische Masse m selbst. Die ladungsbezogene Masse ist der Massenbruchteil pro Elementarladung des Ions.
Es ist bekannt, dass alle Hochfrequenz-Stabsysteme eine untere Massengrenze für die Speicherung oder Weiterleitung der Ionen haben. Bei Quadrupol-Stabsystemen ist diese Massengrenze scharf ausgeprägt, bei höheren Multipolen weniger scharf. Die Massengrenze hängt dabei von der Frequenz und der Amplitude der Hochfrequenzspannung ab. Sie ist reziprok proportional zum Quadrat der Frequenz und proportional zur Amplitude. Bei einer festgelegten Frequenz bestimmt also die Amplitude der Hochfrequenzspannung die untere Massengrenze. Möchte man auch leichte Ionen ohne Verluste weiterleiten, so muss man die Amplitude der Hochfrequenzspannung klein wählen. Die untere Massengrenze ergibt sich aus dem Stabilitätsbereich der Mathieuschen Differentialgleichung für die Bewegung der Ionen in Hochfrequenz-Quadrupolfeldern. Für leichte Ionen kann sich kein Pseudopotential ausbilden, weil diese leichten Ionen bereits in einer Halbperiode der Hochfrequenzspannung so beschleunigt werden, dass sie entweder bereits in einer einzigen Halbperiode aus dem Speicherfeld herauskatapultiert werden, oder dass sie durch Aufschaukelung in mehreren Halbperioden diese Katapultierung erleben.
Weniger bekannt ist die Existenz einer oberen Massengrenze in Quadrupol-Stabsystemen. Aus den Mathieuschen Differentialgleichungen ergibt sich lediglich, dass die rücktreibenden Kräfte des Pseudopotentials für schwere Ionen kleiner sind als für leichte Ionen: Die rücktreibenden Kräfte sind proportional zum reziproken Wert der Masse des Ions. Das hat zur Folge, dass sich leichte Ionen in der Achse sammeln, weil das fokussierende Pseudopotential für sie stärker ist, und schwerere Ionen sich leicht außerhalb der Achse einfinden, von den leichteren Ionen durch Coulombsche Abstoßung auf Abstand gehalten.
Für ein Quadrupol-Stabsystem, dass unter Hochvakuumbedingungen arbeitet, macht sich die obere Massengrenze nur beim Einschuss und bei Überfüllung bemerkbar. Bereits bei leicht schrägem Einschuss kann das schwache Pseudopotential für schwere Ionen diese nicht mehr zur Achse hin zurücklenken, sie treffen die Stäbe und scheiden aus. Bei Überfüllung werden die schweren Ionen durch die Raumladung bis an die Stäbe getrieben. Ist das Quadrupol-Stabsystem mit einem Stoßgas befüllt, so kommen zwei weitere Komponenten hinzu: die durch Gasstöße bewirkte thermische Diffusion, die schwere Ionen wegen des schwachen Pseudopotential-Gegenfeldes bis an die Polstäbe treiben kann, und die Stoßkaskaden bei höherenergetisch eingeschossenen Ionen, deren seitliche Ablenkwinkel sich zufällig so addieren können, dass die Ionen an die Polstäbe prallen. Beide Effekte führen zu erheblichen Verlusten an schwereren Ionen. Des Weiteren werden schwere Ionen beim Ausschuss aus dem Ionenleitsystem diskriminiert, weil sie sich nicht in der Achse befinden.
Die obere Massengrenze ist nicht scharf begrenzt, schwächt aber die Intensität schwerer Ionen so stark, dass sie nicht mehr gut massenspektrometrisch nachweisbar sind. Als Faustregel kann man für ein Quadrupol-Stabsystem sagen, dass bei Einschuss eines Ionengemischs die Ionen, deren Masse größer als das Zwanzigfache der unteren Massengrenze sind, durch Verluste stark geschwächt nicht mehr gut gemessen werden können.
Die Existenz der oberen Massengrenze ist besonders störend im Gebiet der Peptidanalyse in der Proteomik. Hier möchte man neben einzelnen Aminosäure-Ionen, den so genannten „Immonium-Ionen", den Massenbereich der so genannten Verdaupetide bis etwa 5000 Dalton messen. Stellt man aber die untere Massengrenze auf etwa 50 Dalton ein, so folgt eine obere Massengrenze von etwa 1000 Dalton, völlig unakzeptabel für diese Art der Analysen. Der Einsatz von Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss, die besonders auch wegen des hohen Massenbereichs verwendet werden, wird dadurch konterkariert.
Ein Ausweg ist die Verwendung von Hexapol- oder Oktopol-Stabsystemen. Diese besitzen günstigere Pseudopotentialverteilungen für schwerere Ionen mit einem steileren Anstieg des Potentials außerhalb der Achse vor den Polstäben, aber mit einem flachen Potentialtopfboden in der Nähe der Achse. Das ausgeprägte Minimum des Pseudopotentials, das in der Achse eines Quadrupolfelds herrscht, existiert hier nicht. Die Ionen sammeln sich nicht mehr so gezielt in der Achse dieser Systeme und können daher nicht mehr so günstig in nachfolgende Systeme eingeschossen werden. Die Stoßfokussierung ist schwächer. Der Betrieb von Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss leidet unter einem schlechteren Auflösungsvermögen, weil der erforderliche feine Querschnitt des Ionenstrahls nicht mehr erreicht werden kann.
Besonders bei Oktopol-Stabsystemen können sich bei stärkerer Beladung mit Ionen die schwereren Ionen weit außerhalb der Achse dicht vor den Stäben sammeln, weil sie durch die Raumladung dorthin getrieben werden. Diese ladungsabhängige Verteilung der Ionen im Inneren ist sehr ungünstig. Sie kann sogar eintreten, wenn gar keine leichten Ionen im Ionengemisch vorhanden sind; die reine Coulombsche Abstoßung zwischen den schweren Ionen genügt. Die Ionen versammeln sich auf der Oberfläche eines Zylinders; eine Stoßfokussierung tritt hier überhaupt nicht ein, wenn eine Grenzionendichte überschritten wird.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Ionenleitsystem bereitzustellen, dass einerseits eine gute Stoßfokussierung mit Sammlung der Ionen in der Achse bietet, andererseits aber schwere Ionen möglichst wenig durch Ionenverluste diskriminiert.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Es ist die Grundidee der Erfindung, vor den Polstäben eines multipolaren, vorzugsweise eines quadrupolaren Hochfrequenz-Ionenleitsystems, die nach bisherigem Stand der Technik massiv sind und glatte Oberflächen besitzen, eine stärker inhomogene Feldverteilung zu erzeugen. Das kann durch eine strukturierte Oberfläche der Polstäbe geschehen. Das kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass statt der massiven Polstäbe nunmehr komplexe Gebilde verwendet werden, die hier als „Polelektrodensysteme" bezeichnet werden.
Die Oberflächen der Polelektrodensysteme sollen aus Gittern von Strukturelementen bestehen und jeweils nebeneinander liegende Strukturelemente sollen mit verschiedenen Hochfrequenzspannungen beschickt werden, so dass vor jedem Polelektrodensystem ein Nahfeld entsteht, das aus den stark inhomogenen elektrischen Hochfrequenz-Dipolfeldern zwischen den Strukturelementen gebildet wird, und ein Fernfeld, das sich aus den über die Flächen der Strukturelemente gemittelten Hochfrequenzspannungen ergibt. Dieses Gitter kann aus sehr feinen punktförmigen Strukturelementen bestehen, es bildet dann ein „Punktgitter", oder aus eindimensional ausgedehnten linienförmigen Strukturelementen, wodurch ein „Strichgitter" entsteht.
Das Fernfeld entspricht dem Feld, das nach bisherigem Stand der Technik durch die glatten Polstäbe aufgespannt wird. Daraus entsteht bei vier Polelektrodensystemen ein entsprechendes Quadrupolfeld.
Die Gitter der Strukturelemente auf den Polelektrodensystemen können insbesondere auch „multipolare Gitter" sein, was bedeutet, dass jeweils nebeneinander liegende Strukturelemente jedes Polelektrodensystems zu jeweils verschiedenen Strukturelemente-Ensembles gehören, dass die Strukturelemente eines Strukturelemente-Ensembles elektrisch zusammengeschaltet sind, und dass die verschiedenen Strukturelemente-Ensembles jeweils getrennt mit Hochfrequenzspannungen beschickt werden. Es können insbesondere für jedes Polelektrodensystem genau zwei solcher Strukturelemente-Ensembles vorhanden sein, woraus sich ein „bipolares Gitter" ergibt.
Ein Fernfeld existiert nur dann, wenn sich die angelegten Hochfrequenzspannungen nicht im Nahfeld vollkommen kompensieren, sondern wenn eine der angelegten Hochfrequenzspannungen überwiegt und in der Ferne wirken kann. An einem bipolaren Gitter beispielsweise wird ein nicht verschwindendes Fernfeld dadurch erzeugt, dass entweder zwei Hochfrequenzspannungen gleicher Frequenz aber verschiedener Amplitude angelegt werden, oder dass ein Gemisch von Hochfrequenzspannungen verschiedener Frequenzen verwendet wird, die sich nicht alle im Nahfeld neutralisierend kompensieren, oder auch dadurch, dass die Strukturelemente ungleich groß sind oder ungleich weit von einer virtuell überspannenden Oberfläche des Polelektrodensystems entfernt sind. Es kann auch ein Gemisch verschiedenartiger Hochfrequenzspannungen und Strukturelemente vorliegen. Insbesondere können beispielsweise auch zwei Hochfrequenzspannungen gleicher Amplitude und Frequenz, aber mit einer von 180° abweichenden Phasenlage zueinander verwendet werden, wobei nur ein Teil der Amplituden im dipolaren Feld unsymmetrisch angeordneter Strukturelemet-Ensembles kompensiert werden und ein Rest für das Fernfeld übrig bleibt.
Es ist also eine Idee der Erfindung, die glatten Stäbe bisheriger Multipol-Stabsysteme durch Polelektrodensysteme zu ersetzen, deren Oberflächen eine Strukturierung mit dicht aneinander liegenden nulldimensionalen (spitzen) oder eindimensionalen (draht- oder kantenförmigen) Strukturelementen aufweisen, wobei die Kanten oder Spitzen die bisherige Form der glatten Staboberflächen nachformen. Durch Beschaltung mit Hochfrequenzspannungen soll im Nah bereich ein Dipolfeld und im Fernbereich ein Fernfeld ähnlich dem der bisher verwendeten Stäbe erzeugt werden. Dadurch besitzen sie im Nahbereich vor der virtuell aufgespannten Oberfläche ein stärker imhomogenes elektrisches Nahwechselfeld als es durch die glatte Oberfläche der Stäbe geformt werden würde. Es können damit schwere Ionen bei Annäherung an die Polelektrodensysteme besser zurückgetrieben werden, während sich in Achsennähe ein multipolares Feld bisheriger Ausprägung mit niedrig liegender unterer Massengrenze ausbilden lässt.
Es ist eine weitere Idee der Erfindung, in einer sehr einfache Ausführungsform wie bisher massive Polstäbe zu verwenden, deren Oberflächen aber zu einem Feld von Kanten oder Spitzen mit eingeschlossenen Vertiefungen umzuformen, beispielsweise durch das Einfräsen von Rillen. Auch hier werden an den Kanten oder Spitzen inhomogenere Wechselfelder erzeugt, als das an glatten Oberflächen der Fall wäre. Es lassen sich so Quadrupolsysteme herstellen, deren obere Massengrenze bei dem 30- bis 40-fachen der unteren Massenschwelle liegt.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 gibt ein Quadrupol-Ionenleitsystem nach dem bisherigen Stand der Technik mit vier hyperbolisch geformten Polstäbe (1, 2, 3, 4) wieder.
2 zeigt nur die beiden Polstäbe (1) und (2) des Quadrupol-Ionenleitsystems der 1, wodurch die hyperbolisch geformten Oberflächen sichtbar werden.
In 3 sind die hyperbolisch geformten Oberflächen der Polstäbe aus 2 durch linear ausgedehnte Elektroden in Drahtform ersetzt, wodurch sich statt der Polstäbe nunmehr die Polelektrodensysteme (11) und (12) ergeben. Die Elektrodendrähte sind hier parallel zur Achse des Ionenleitsystems aufgespannt.
4 gibt eine Ersetzung der Staboberflächen durch ein System von Elektrodendrähten wieder, die senkrecht zur Achse des Ionenleitsystems angeordnet sind. Es entstehen Polelektrodensysteme (21) und (22).
5 zeigt eine Beschaltung der Polelektrodensysteme der 3 mit den Spannungen U₁ bis U₄. Es existieren für das Polelektrodensystem (11) zwei Elektroden-Ensembles (11a) und (11b), die jeweils an einer Spannung U₁ oder U₂ liegen und ein bipolares Gitter bilden. Auch das Polelektrodensystem (12) ist als bipolares Gitter geschaltet.
6 zeigt ein Rundstabsystem in Dodekapolform. Durch eine besondere Beschaltung wird aber kein Dodekapolfeld, sondern ein Quadrupolfeld erzeugt, wobei die Stabgruppen (31, 32, 33), (34, 35, 36), (37, 38, 39) und (40, 41, 42) je ein Polelektrodensytem im Sinne dieser Erfindung darstellen. Zwischen je zwei benachbarten Polstäben herrscht jeweils die Wechselspannungsdifferenz 2U/3, wodurch die Dipolfelder aufgespannt werden. Die Stabpaare (32, 38) mit Spannung +U und (35, 41) mit Spannung –U liefern den Hauptteil des Quadrupolfeldes.
7 gibt wieder, wie die Spannungen für das Stabsystem der 6 durch eine einzige Sekundärwicklung eines Hochfrequenztransformators erzeugt werden können.
8 stellt zwei gegenüberliegende Polelektrodensysteme (53) und (54) dar, die aus lamellenförmigen Elektroden aufgebaut sind. Jedes Lamellensystem besteht aus zwei Elektroden-Ensembles (51) und (52), die eine Art bipolares Gitter aufspannen, wobei aber die Elektroden des einen Elektrodenensembles (52) nicht bis an die virtuell aufgespannte Oberfläche (54) heranreichen. Durch diese geometrische Unsymmetrie überwiegt im Fernfeld der Einfluss des Elektroden-Ensembles (51), wenn zwei gegenpolige Hochfrequenzspannungen gleicher Amplitude an die beiden Elektroden-Ensembles angelegt werden.
9 gibt zwei Elektrodenbleche wieder, die zu einem Quadrupol-Ionenleitsystem, das diese Erfindung verwirklicht, zusammengesetzt werden können. Die beiden Elektrodenbleche sind in ihrer Form vollkommen identisch und nur um 90° gegeneinander gedreht. Sie können zwei Elektroden-Ensembles aufbauen, die je aus Elektrodenblechen (62) und (63) bestehen.
In 10 sind die Elektrodenbleche der 9 zu einem Ionenleitsystem zusammengesetzt. Werden die beiden Polelektroden-Ensembles mit zwei gegenpoligen Hochfrequenzspannungen gleicher Amplitude beschaltet, so entsteht im Inneren ein geschwächtes Quadrupolfeld, weil die Elektroden beider Elektroden-Ensembles (ähnlich wie in 8) mit verschiedenen Abständen an die virtuell aufgespannten Oberflächen heranreichen.
11 zeigt die elektrischen Feldlinien eines bipolaren Drahtgitters (71–75), das mit den beiden Hochfrequenzspannungen US = +A cos(ωt) und U6 = –(A/2)cos(ωt) beschickt wird. Es bildet sich ein Fernfeld (76), das einer Beschickung aller Drähte mit +A/2cos(ωt) entspricht, im Nahbereich (77) überlagert von einem Dipolfeld.
Beste Ausführungsformen
Eine einfache Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die bisher benutzten Polstäbe durch jeweils ein bipolares Drahtgitter zu ersetzen und die Oberflächen der Polstäbe mit dem Gitter nachzuformen, wie in 3 und 5 gezeigt. Die Drähte sind hier parallel zur Achse des Ionenleitsystems gespannt. Die Drähte des Polelektrodensystems können dabei selbstverständlich auch durch ein Lamellensystem aus Elektrodenblechen ersetzt werden. Ein Lamellensystem führt zu den gleichen elektrischen Feldern vor der Oberfläche des Polelektrodensystems. Ein Lamellensystem hat den Nachteil einer größeren elektrischen Kapazität; es erfordert daher einen stärkeren Hochfrequenzgenerator. Es hat den Vorteil einer leichten mechanischen Fixierbarkeit der Lamellen, beispielsweise durch Abstand haltende Isolatoren. Ein Drahtsystem dagegen hat leichte Schwierigkeiten mit der mechanischen Fixierung der Drähte, ohne isolierende Flächen zu bieten, die sich durch auftreffende Ionen aufladen können.
Eine Beschaltung eines bipolaren Gitters (11) in 5 kann im allgemeinen Fall mit den Spannungen U₁ = A₁cos(ω₁t) + A₃cos(ω₃t) und U₂ = A₂cos(ω₂t) – A₃cos(ω₃t) erfolgen. Dabei kompensieren sich die beiden gegenpoligen Spannungen ±A₃cos(ω₃t) völlig im Nahbereich und bilden dabei das dipolare Nahfeld. Das quadrupolare Fernfeld zwischen den vier Polelektrodensystemen wird durch den Spannungsanteil A₁cos(ω₁t) + A₂cos(ω₂t) gebildet, wobei vorzugsweise die beiden Frequenzen ω₁ und ω₂ gleich gewählt werden. Die Amplitude A₂ kann auch zu Null gewählt werden. Die Frequenz ω₃ für das Dipolfeld muss nicht mit der Frequenz des Fernfeldes übereinstimmen. Es kann günstig sein, die Frequenz ω₃ des dipolaren Nahfeldes geringer zu wählen die Frequenz ω₁ des Fernfeldes, um eine stärker abstoßende Kraft für schwere Ionen dicht vor den Polelektrodensystemen zu erzeugen.
Das elektrische Feld vor dem bipolaren Gitter (71–75), das angenähert einem Ausschnitt des Gitters in 5 entspricht, ist für eine bestimmte Spannungsbeschaltung in 11 gezeigt. Die beiden Spannungen sind hier US = A₁cos(ω₁t) und U6 = –(A₁/2)cos(ω₁t). Dabei kompensieren sich die Spannungsanteile ±(A₁/2)cos(ω₁t) aus den Spannungen US und U6 im dipolaren Nahfeld, während der Spannungsanteil (A₁/2)cos(ω₁t) aus US für das Fernfeld übrig bleibt. Vor jeder der Drahtelektroden (71–75) bildet sich ein stark inhomogenes Feld, das erfindungsgemäß die schweren Ionen zurücktreibt.
Ganz ähnliche Nah- und Fernfelder lassen sich vor der Elektrodenstruktur in 4 aufbauen. Hier sind die drahtförmigen Elektroden des Polelektrodenensembles quer zur Achse des Ionenleitsystems angeordnet. Auch hier lassen sich die Elektrodendrähte als Elektrodenlamellen ausführen. Eine besondere Beschaltung der einzelnen Elektroden lässt es hier sogar zu, dem Hochfrequenzfeld ein axial gerichtetes Gleichfeld zu überlagern, wodurch ein aktiver Antrieb der Ionen durch das Ionenleitsystem möglich wird. Ein solcher aktiver Vortrieb ist bereits aus dem oben zitierten US 5,572,035 A für Ringelektrodensysteme, und aus DE 10 2004 048 496.1-54 für Blendenstapel mit nicht-runden Öffnungen bekannt. In diesen Blendenstapeln lassen sich ebenfalls quadrupolare elektrische Hochfrequenzfelder aufbauen.
Die beiden gitterartigen Strukturelement-Ensembles solcher Polelektrodensysteme nach 3, 4 oder 5 lassen sich relativ leicht erstellen, wenn statt des Vollstabes ein Elektrodengebilde aus einzelnen blechartigen Metallelektroden aufgebaut wird, die sich in Längs- oder Querrichtung isoliert voneinander stapeln. Haben die blechartigen Elektroden glatte Kanten, so entsteht ein Kantensystem, sind die Kanten dagegen zu einzelnen Zacken aufgelöst, so entsteht sogar ein Spitzensystem. Zur Verminderung der elektrischen Kapazität lassen sich die blechartigen Metallelektroden filigran so formen, dass nur jeweils kleine Flächenstücke nebeneinander stehen. Mit einem Elektrodenstapel, dessen Elektrodenbleche in Querrichtung angeordnet sind, lässt sich auch, wie oben angedeutet, leicht ein elektrisches Gleichfeld in Achsenrichtung überlagern.
Ein nicht verschwindendes Fernfeld vor einem bipolaren Gitter kann durch zwei verschiedene Amplituden der Hochfrequenzspannungen erzeugt werden, so dass in einer Entfernung vor der Oberfläche des Elektrodengebildes eine der beiden Hochfrequenzspannungen überwiegt. Es können aber auch zwei gegenpolige Hochfrequenzspannungen an die beiden Ensembles eines Elektrodengebildes in gleicher Stärke angelegt werden, wenn die Strukturelemente eines Ensembles weniger weit an die Oberfläche des Elektrodengebildes heranreichen, wie es schematisch in 7 gezeigt wird. Auch hier überwiegt in einer Entfernung vor der Oberfläche das Feld einer Hochfrequenzspannung, und zwar der Hochfrequenzspannung an dem hervorstehenden Elektroden-Ensemble (51), wenn auch geschwächt. Es lässt sich dann beispielsweise im Inneren eines Systems aus vier solchen Elektrodengebilden ein relativ schwaches quadrupolares elektrisches Wechselfeld mit sehr niedriger unterer Massengrenze aufbauen, das aber für ein herannahendes Ion dicht vor der Oberfläche eines jeden Elektrodengebildes zu einem stark reflektierenden Pseudopotential anwächst. Es lassen sich damit quadrupo lare Systeme aufbauen, deren obere Massengrenze um einen Faktor von mehreren Hundert oberhalb der unteren Massengrenze liegt.
In gleicher Weise lässt sich mit der Technik des Stapelns einzelner Blenden ein solches Quadrupolfeld aufbauen, wie es anhand der 9 und 10 ersichtlich ist. In den vier inneren „Polflächen" des Quadrupolfeldes treten jeweils die Bleche eines Elektroden-Ensembles zurück; bei Beschickung mit zwei gegenpoligen Hochfrequenzspannungen gleicher Amplitude entsteh im Inneren ein schwaches Quadrupolfeld mit sehr niedriger unterer Grenzmasse für das Speichern von Ionen, während im Nahfeld vor den „Polflächen" auch schwere Ionen gut zurückgetrieben werden.
Es soll hier ausdrücklich betont werden, dass ein solches Polelektrodensystem aus blech- oder auch aus drahtförmigen Elektroden, wie es in den 3, 4, 5, 7 oder 10 dargestellt wird, keinen Polstab im wörtlichen Sinne mehr darstellt.
Es kann aber die Grundidee der Erfindung, vor den Polstäben eines Multipolfeldes, vorzugsweise eines Quadrupolfeldes, stärker inhomogene Nahfelder zu erzeugen, auch mit massiven Polstäben verwirklicht werden. In einer sehr einfachen Ausführungsform werden wie bisher massive Polstäbe verwendet, deren Oberflächen aber zu einem Feld von Kanten oder Spitzen mit eingeschlossenen Vertiefungen umzuformen. Das kann beispielsweise durch das Einfräsen von Rillen oder Nuten geschehen. Auch hier werden im Nahbereich vor den Kanten oder Spitzen inhomogenere Wechselfelder erzeugt, als das an glatten Oberflächen der Fall wäre. Es lassen sich so Quadrupolsysteme herstellen, deren obere Massengrenze bei dem 30- bis 40-fachen der unteren Massenschwelle liegt. Eine solche Struktur lässt sich auch aus Polstäben aufbauen, die nicht massiv sind, sondern aus Lammelen oder anderen Strukturelementen mit Kanten oder Spitzen zusammengesetzt sind.

Claims

Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem, dadurch gekennzeichnet, dass im Nahbereich vor den Polen stärker inhomogene Nahfelder erzeugt werden als in einem reinen Multipolfeld.
Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenleitsystem aus Polelektrodensystemen aufgebaut wird, dass die Oberflächen der Polelektrodensysteme aus Gittern von Strukturelementen bestehen, und dass jeweils nebeneinander liegende Strukturelemente mit verschiedenen Hochfrequenzspannungen beschickt werden, wodurch vor jedem Polelektrodensystem ein Nahfeld entsteht, das aus den stark inhomogenen elektrischen Hochfrequenz-Dipolfeldern zwischen den Strukturelementen gebildet wird, und ein Fernfeld, das sich aus den über die Flächen der Strukturelemente gemittelten Hochfrequenzspannungen ergibt und das Multipolfeld aufbaut.
Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter aus eindimensional ausgedehnten punktförmigen Strukturelementen (Punktgitter) oder aus zweidimensional ausgedehnten linienförmigen Strukturelementen (Strichgitter) bestehen.
Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils nebeneinander liegende Strukturelemente jeder Polelektrode zu jeweils verschiedenen Strukturelemente-Ensembles gehören, dass die Strukturelemente eines Strukturensembles elektrisch zusammengeschaltet sind, und dass die verschiedenen Strukturelemente-Ensembles jeweils getrennt mit Hochfrequenzspannungen beschickt werden.
Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es für jede Polelektrode genau zwei solcher Strukturelemente-Ensembles, also ein bipolares Gitter, gibt.
Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich für eine Polelektrode ein nicht verschwindendes Fernfeld entweder aus zwei Hochfrequenzspannungen gleicher Frequenz aber verschiedener Amplitude, oder aus zwei Hochfrequenzspannungen mit einer von 180° abweichenden Phase, oder aus einem Gemisch von Hochfrequenzspannungen verschiedener Frequenzen, oder aus Strukturelementen ungleicher Größe oder ungleichem Abstand zu einer virtuell überspannten Oberfläche der Polelektrode, oder aus einem Gemisch aus diesen ergibt.
Multipolares Hochfrequenz-Ionenleitsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das multipolare Hochfrequenzfeld durch Polstäbe erzeugt wird, deren Oberflächen jedoch aus einem Muster von Kanten oder Spitzen mit dazwischen liegenden Vertiefungen bestehen, so dass bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung um die Kanten oder Spitzen herum stärker inhomogene Wechselfelder und damit stärkre Pseudopotentialabfälle entstehen, als das bei glatten Oberflächen der Fall wäre.