DE102009048215A1 - Multipole ion storage device and method of operating the same - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Multipol-Ionenspeichervorrichtung (14) mit mehreren Elektrodenelementen (16, 18, 20, 22, 24, 26) zur Bildung von ersten Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration (56) zur Erzeugung eines ersten Radiofrequenzfeldes. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration (56) eine höhere Multipol-Ordnung aufweist als die Quadrupol-Ordnung, wobei die Multipol-Ionenspeichervorrichtung (14) durch Kurzschließen oder quasi-Kurzschließen von mindestens zwei Elektrodenelementen (16, 18; 20, 22; 24, 26) unterschiedlicher erster Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) in eine zweite Elektrodenkonfiguration (58) in Quadrupol-Ordnung mit zweiten Elektroden (60, 62, 64) umschaltbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung (14).The invention relates to a multipole ion storage device (14) having a plurality of electrode elements (16, 18, 20, 22, 24, 26) for forming first electrodes (44, 46, 48, 50, 52, 54) in a first multipole electrode configuration (56) for generating a first radio frequency field. According to the invention, it is provided that the first multipole electrode configuration (56) has a higher multipole order than the quadrupole order, wherein the multipole ion storage device (14) can be obtained by short-circuiting or quasi-short-circuiting at least two electrode elements (16, 18; 22, 24, 26) of different first electrodes (44, 46, 48, 50, 52, 54) into a second electrode configuration (58) in quadrupole order with second electrodes (60, 62, 64) is switchable.
The invention further relates to a corresponding method for operating a multipole ion storage device (14).

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Description

Die Erfindung betrifft eine Multipol-Ionenspeichervorrichtung mit mehreren Elektrodenelementen zur Bildung von ersten Elektroden in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration zur Erzeugung eines ersten Radiofrequenzfeldes.The invention relates to a multipole ion storage device having a plurality of electrode elements for forming first electrodes in a first multipole electrode configuration for generating a first radio frequency field.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung.The invention further relates to a corresponding method for operating a multipole ion storage device.

Unter einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung ist eine Radiofrequenz-(RF)-Multipol-Ionenfalle zu verstehen. Die Radiofrequenz liegt zum Beispiel in einem Frequenzbereich von 3 bis 30 MHz (Hochfrequenz). Multipol-Ionenspeichervorrichtungen werden zur Führung und Speicherung von Ionen verwendet. Die bekannteste Multipol-Ionenspeichervorrichtung ist die Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung (z. B. Paul-Falle), die – bei entsprechender Beschaltung – neben der Speicherung von geladenen Teilchen, insbesondere Ionen, auch zur Massenanalyse geladener Teilchen eingesetzt werden kann.By a multipole ion storage device is meant a radio frequency (RF) multipole ion trap. The radio frequency is, for example, in a frequency range of 3 to 30 MHz (high frequency). Multipole ion storage devices are used to guide and store ions. The most well-known multipole ion storage device is the quadrupole ion storage device (eg Paul-trap), which - with appropriate wiring - can be used in addition to the storage of charged particles, in particular ions, also for the mass analysis of charged particles.

In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurden weiterhin Multipol-Ionenspeichervorrichtungen mit Mulitpolfeldern höherer Ordnung als der des Quadrupols (insbesondere der Oktupol beziehungsweise der 22-Pol) in zweidimensionaler, also linearer Anordnung, für verschiedene Experimente vorgeschlagen beziehungsweise realisiert. Die linearen Multipol-Ionenspeichervorrichtungen höherer Multipol-Ordnung haben gegenüber der Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung den Vorteil eines weitgehend feldfreien Raumes im Zentrum der Ionenspeichervorrichtung. In diesen Feldgeometrien höherer Multipol-Ordnung können die Ionen daher durch Stöße mit einem sich in der Speichervorrichtung befindlichen elektrisch neutralen Stoßpartner auf kryogene Temperaturen abgekühlt werden.In the past two decades, multipole ion storage devices with multipole fields of higher order than the quadrupole (in particular the octupole and the 22-pole, respectively) in two-dimensional, ie linear arrangement, have also been proposed or implemented for various experiments. The multipole multipole linear storage devices have the advantage over the quadrupole ion storage device of a substantially field-free space in the center of the ion storage device. In these field geometries of higher multipole order, the ions can therefore be cooled to cryogenic temperatures by collisions with an electrically neutral collision partner located in the storage device.

Der Quadrupol-Massenfilter nach Wolfgang Paul wird sowohl als linearer Quadrupol mit einer zweidimensionalen Geometrie des resultierenden Radiofrequenzfeldes (2D-Geometrie des RF-Feldes) als auch als Paulfalle, also als Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung mit dreidimensionaler Geometrie des Radiofrequenzfeldes (3D-Geometrie des RF-Feldes), verwendet. Die Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung besteht im Allgemeinen aus einer rotationssymmetrischen Ringelektrode und zwei rotationssymmetrischen Endkappenelektroden zur Erzeugung des Quadrupol-Radiofrequenzfeldes, also insgesamt drei Elektroden. Die Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung (kurz: der Quadrupolspeicher) weist im Gegensatz zu Multipol-Ionenspeichervorrichtungen höherer Ordnung jedoch keinen feldfreien Raum auf. Die Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung kann andererseits jedoch auch zur Massenanalyse von Ionen verwendet werden. Mittels einer Kombination einer derartigen Falle und einem Massenfilter stehen für Untersuchungen in einer solchen Ionenspeichervorrichtung masseselektierte geladene Teilchen zur Verfügung. Die Möglichkeiten zur Abkühlung dieser Teilchen in der Quadrupol-Ionenspeichervorrichtung sind jedoch stark eingeschränkt.The quadrupole mass filter according to Wolfgang Paul is used both as a linear quadrupole with a two-dimensional geometry of the resulting radio-frequency field (2D geometry of the RF field) and as a Paul trap, ie as a quadrupole ion storage device with three-dimensional geometry of the radio-frequency field (3D geometry of the RF field). Feldes) used. The quadrupole ion storage device generally consists of a rotationally symmetric ring electrode and two rotationally symmetric end cap electrodes for generating the quadrupole radio frequency field, that is, a total of three electrodes. However, the quadrupole ion storage device (quadrupole storage for short) does not have field-free space unlike multipole multiport ion storage devices. On the other hand, however, the quadrupole ion storage device can also be used for mass analysis of ions. By means of a combination of such a trap and a mass filter, mass-selected charged particles are available for investigations in such an ion storage device. However, the possibilities for cooling these particles in the quadrupole ion storage device are severely limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Multipol-Ionenspeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung bereitzustellen, bei der/dem die Multipol-Ionenspeichervorrichtung je nach Betriebsmodus die äußere Manipulation von in der Vorrichtung gespeicherten Ionen und/oder die Massenanalyse der Ionen in einer Vorrichtung erlaubt.The invention has for its object to provide a multipole ion storage device and a method for operating a multipole ion storage device, in which the multipole ion storage device depending on the operating mode, the external manipulation of stored ions in the device and / or the mass analysis of the ions in allowed a device.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Multipol-Ionenspeichervorrichtung vorgesehen, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration eine höhere Multipol-Ordnung aufweist als die Quadrupol-Ordnung, wobei die Multipol-Ionenspeichervorrichtung durch Kurzschließen oder quasi-Kurzschließen von mindestens zwei Elektrodenelementen unterschiedlicher erster Elektroden in eine zweite Elektrodenkonfiguration in Quadrupol-Ordnung mit zweiten Elektroden umschaltbar ist. Unter dem Begriff „umschalten” ist ein Wechsel zwischen den Elektrodenkonfigurationen zu verstehen, dessen Zeitkonstante gegenüber der Zeitkonstante der Hochfrequenz entweder geringer oder in etwa gleich groß ist („instantaner Wechsel”) oder gegenüber dieser Zeitkonstante größer ist („adiabatischer Wechsel”).To achieve this object, it is provided in the multipole ion storage device according to the invention that the first multipole electrode configuration has a higher multipole order than the quadrupole order, the multipole ion storage device by shorting or quasi-shorting of at least two electrode elements of different first electrodes a second electrode configuration in quadrupole order with second electrodes is switchable. The term "toggle" is to be understood as a change between the electrode configurations whose time constant is either less than or approximately the same as the time constant of the high frequency ("instantaneous change") or greater than this time constant ("adiabatic change").

Bei der erfindungsgemäßen Multipol-Ionenspeichervorrichtung handelt es sich somit um eine Multipol-Ionenspeichervorrichtung, die in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus wahlweise in einer ersten und in einer zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration betrieben werden kann. Zwischen den beiden Elektrodenkonfigurationen kann durch Änderung der Beschaltung der Elektrodenelemente hin- und hergeschaltet werden. Mittels der ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration wird die Multipol-Ionenspeichervorrichtung als Multipol-Ionenspeichervorrichtung mit höherer Multipol-Ordnung als der Multipol-Ordnung eines Quadrupols, kurz als Multipol-Ionenspeichervorrichtung mit höherer Multipol-Ordnung (also mindestens dritter Ordnung beziehungsweise mindestens als Hexapol-Ionenspeichervorrichtung) betrieben. Mittels der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration wird die Multipol-Ionenspeichervorrichtung als Multipol-Ionenspeichervorrichtung mit der Multipol-Ordnung eines Quadrupols betrieben. Die Elektrodenelemente haben innerhalb der Multipol-Ionenspeichervorrichtung eine feste Anordnung. Zum Umschalten zwischen den Elektrodenkonfigurationen werden diese Elektrodenelemente – wie gesagt – unterschiedlich verschaltet, sodass sich durch die jeweilige äußere Beschaltung entweder die ersten Elektroden oder die zweiten Elektroden ergeben.Thus, the multipole ion storage device of the present invention is a multi-pole ion storage device that can be selectively operated in a first and a second multipole electrode configuration in a first and a second mode of operation. Between the two electrode configurations can be switched back and forth by changing the wiring of the electrode elements. By means of the first multipole electrode configuration, the multipole ion storage device becomes a multipole ion storage device with a multipole order higher than the multipole order of a quadrupole, in short as a multipole multipole ion storage device (ie at least third order or at least a hexapole ion storage device). operated. By means of the second multipole electrode configuration, the multipole ion storage device is operated as a multipole ion storage device with the multipole order of a quadrupole. The electrode elements have a fixed arrangement within the multipole ion storage device. To switch between the electrode configurations, these electrode elements are - as I said - differently interconnected, so that through the respective external circuitry yields either the first electrodes or the second electrodes.

Unter einem quasi-Kurzschließen von Elektrodenelementen ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung ein derartiges Halten und Führen der entsprechenden Elektrodenelemente auf einem gemeinsamen elektrischen Potential zu verstehen, als ob die Elektrodenelemente kurzgeschlossen wären.In the context of this invention, quasi-short-circuiting of electrode elements means holding and guiding the corresponding electrode elements at a common electrical potential, as if the electrode elements were short-circuited.

Der erste Betriebsmodus, in dem die Multipol-Ionenspeichervorrichtung in der ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration betrieben wird, hat den Vorteil eines weitgehend feldfreien Raumes im Zentrum der Multipol-Ionenspeichervorrichtung. In diesem ersten Betriebsmodus wird jeweils zwischen benachbarten Elektroden eine alternierend gepolte Spannung angelegt, wobei sich ein Hexapol-, ein Oktupol-, ein Decapol-, ... oder ein Multipol-Radiofrequenzfeld noch höherer Ordnung ergibt. In dem ersten Betriebsmodus können die Ionen aufgrund der Feldgeometrie durch Stöße mit einem sich in der Speichervorrichtung befindlichen elektrisch neutralen Stoßpartner auf „kryogene Temperaturen” abgekühlt werden, was für viele Anwendungen einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung vorteilhaft ist.The first mode of operation, in which the multipole ion storage device is operated in the first multipole electrode configuration, has the advantage of a substantially field-free space in the center of the multipole ion storage device. In this first operating mode, an alternatingly polarized voltage is applied in each case between adjacent electrodes, yielding a hexapole, an octupole, a decapol, ... or a multipole radiofrequency field of even higher order. In the first mode of operation, due to field geometry, the ions may be cooled to "cryogenic temperatures" by collisions with an electrically neutral collision partner located in the storage device, which is advantageous for many applications of a multipole ion storage device.

Im zweiten Betriebsmodus, dem „Quadrupol-Betriebsmodus”, wird jeweils zwischen zwei der benachbarten zweiten Elektroden eine alternierend gepolte Spannung angelegt, die sich im Allgemeinen aus einer Wechselspannung und einer der Wechselspannung überlagerten Gleichspannung zusammensetzt. Das zweite Multipol-Radiofrequenzfeld ist ebenfalls zur Speicherung der Ionen, aber auch zu deren Manipulation, insbesondere zu deren Massenselektion nutzbar. Zur Erzeugung des zweiten Multipol-Radiofrequenzfeldes in dem zweiten Betriebsmodus der Multipol-Ionenspeichervorrichtung wird zumindest eine Gruppe von benachbarten Elektrodenelementen gebildet, die als eine der zweiten Elektroden wirkt. Ab einem von der Anordnung der Elektrodenelemente innerhalb der jeweiligen Elektrode abhängenden Abstand ergibt sich ein Feld, das in etwa dem einer zusammenhängenden Gesamtelektrode entspricht.In the second operating mode, the "quadrupole operating mode", an alternately polarized voltage is applied in each case between two of the adjacent second electrodes, which voltage is generally composed of an alternating voltage and a direct voltage overlying the alternating voltage. The second multipole radiofrequency field can likewise be used for storing the ions, but also for their manipulation, in particular for their mass selection. To generate the second multipole radio frequency field in the second mode of operation of the multipole ion storage device, at least one group of adjacent electrode elements acting as one of the second electrodes is formed. From a distance dependent on the arrangement of the electrode elements within the respective electrode, a field results which corresponds approximately to that of a coherent overall electrode.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten und/oder zweiten Elektroden entlang einer Symmetrieachse punktsymmetrisch ausgebildete Elektroden oder rotationssymmetrisch ausgebildete Elektroden sind. Die entlang der Symmetrieachse punktsymmetrisch ausgebildeten Elektroden bilden eine Multipol-Ionenspeichervorrichtung in linearer Anordnung (zur Erzeugung eines Radiofrequenzfeldes in zweidimensionaler Geometrie) und die entlang der Symmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildete Elektroden bilden eine Multipol-Ionenspeichervorrichtung zur Erzeugung eines Radiofrequenzfeldes in dreidimensionaler Geometrie.According to an advantageous embodiment of the invention, provision is made for the first and / or second electrodes to be point-symmetrical electrodes or rotationally symmetrical electrodes along an axis of symmetry. The point-symmetrically formed along the symmetry axis electrodes form a multipole ion storage device in a linear array (for generating a radio frequency field in two-dimensional geometry) and along the symmetry axis rotationally symmetrical electrodes form a multipole ion storage device for generating a radio frequency field in three-dimensional geometry.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle rotationssymmetrischen ersten Elektroden und/oder zweiten Elektroden als toroidale Elektroden ausgebildet sind. Eine den Speicher charakterisierende Größe r0 ist praktisch durch den Innendurchmesser des oder der innersten Elektrodenpaare(s) gegeben und beträgt typischerweise 2 Millimeter bis 1 Zentimeter (2 mm–10 mm).According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that all rotationally symmetrical first electrodes and / or second electrodes are formed as toroidal electrodes. A quantity r 0 characterizing the memory is practically given by the inner diameter of the innermost pair of electrodes (s) and is typically 2 millimeters to 1 centimeter (2 mm-10 mm).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration eine Decapol-Elektrodenkonfiguration, insbesondere mit sechs rotationssymmetrisch ausgebildeten ersten Elektroden, ist. Eine derartige Decapol-Elektrodenkonfiguration ermöglicht ein Einfüllen von Ionen in besonders einfacher Weise. Mit Vorteil wird jede der ersten Elektroden von genau einem Elektrodenelement und jede der zweiten Elektroden wird von jeweils genau zwei Elektrodenelementen gebildet. Bei dieser Ausgestaltung ist ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus besonders einfach zu realisieren.According to a further advantageous development of the invention, it is provided that the first multipole electrode configuration is a decapol electrode configuration, in particular with six rotationally symmetrical first electrodes. Such a Decapol electrode configuration allows a filling of ions in a particularly simple manner. Advantageously, each of the first electrodes of exactly one electrode element and each of the second electrodes is formed by exactly two respective electrode elements. In this embodiment, switching between the first and the second operating mode is particularly easy to implement.

Insbesondere ist vorgesehen, dass jede der Elektroden der ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration (also jede der ersten Elektroden) von genau einem Elektrodenelement gebildet wird. Somit ist die Anzahl der Elektrodenelemente vorteilhafterweise auf ein Minimum begrenzt.In particular, it is provided that each of the electrodes of the first multipole electrode configuration (ie each of the first electrodes) is formed by exactly one electrode element. Thus, the number of electrode elements is advantageously limited to a minimum.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Multipol-Ionenspeichervorrichtung eine elektrische Schaltungsanordnung zur wahlweisen Beaufschlagung der ersten Elektroden und/oder der zweiten Elektroden mit Spannungen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der ersten und/oder der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration aufweist. Die elektrische Schaltungsanordnung erlaubt einen Betrieb der Multipol-Ionenspeichervorrichtung wahlweise im ersten Betriebsmodus mit dem Multipol-Radiofrequenzfeld der ersten zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration und/oder im zweiten Betriebsmodus mit dem zweiten Multipol-Radiofrequenzfeld der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration, sowie ein Umschalten zwischen den mindestens zwei Betriebsmodi. Das Umschalten ist insbesondere ein kontinuierliches Umschalten (Überblenden) vom einen in den anderen Betriebsmodus.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the multipole ion storage device has an electrical circuit arrangement for selectively loading the first electrodes and / or the second electrodes with voltages for generating the radio frequency field of the first and / or the second multipole electrode configuration. The electrical circuitry allows operation of the multipole ion storage device selectively in the first mode of operation with the multipole radio frequency field of the first second multipole electrode configuration and / or in the second mode of operation with the second multipole radio frequency field of the second multipole electrode configuration, as well as switching between the at least two modes of operation. The switching is in particular a continuous switching (cross-fading) from one to the other operating mode.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung einen Hauptstrompfad zwischen mindestens einer ersten der zweiten Elektroden und mindestens einer weiteren der zweiten Elektroden aufweist, wobei eine erste Radiofrequenz-Spannungsquelle eine erste hochfrequente Spannung in diesen Hauptstrompfad einkoppelt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Einkoppeln der ersten hochfrequenten Spannung ein induktives Einkoppeln ist. Das induktive Einkoppeln erfolgt vorteilhafterweise mittels eines Transformators. Der Hauptstrompfad weist weiterhin bevorzugt ein kapazitives Bauelement auf.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the circuit arrangement has a main current path between at least one first of the second electrodes and at least one further of the second electrodes, wherein a first radio-frequency voltage source couples a first high-frequency voltage into this main current path. In particular, it is provided that the coupling of the first high-frequency voltage is an inductive coupling. The inductive coupling is advantageously carried out by means of a transformer. The main current path furthermore preferably has a capacitive component.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste der zweiten Elektroden zur zusätzlichen Beaufschlagung mit einer ersten Gleichspannung über einen ersten Zusatzstrompfad mit einer ersten Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist und dass die weitere der zweiten Elektroden zur zusätzlichen Beaufschlagung mit einer zweiten Gleichspannung über einen zweiten Zusatzstrompfad mit einer zweiten Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist. Die Gleichspannungen werden insbesondere für den Betrieb als Quadrupol-Massenspektrometer, also zur Beschaltung der zweiten Elektrodenkonfiguration im zweiten Betriebsmodus, benötigt.According to a further advantageous development of the invention, it is provided that the first of the second electrodes is electrically connected via a first additional current path to a first DC voltage source for additional application of a first DC voltage, and that the further one of the second electrodes is additionally exposed to a second DC voltage via a DC voltage second additional current path is electrically connected to a second DC voltage source. The DC voltages are required in particular for operation as a quadrupole mass spectrometer, that is to say for connecting the second electrode configuration in the second operating mode.

Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung mindestens eine zweite Radiofrequenz-Spannungsquelle zum Einkoppeln einer zweiten hochfrequenten Spannung in einen Unterstrompfad zwischen mindestens einem Elektrodenelement und mindestens einem weiteren Elektrodenelement mindestens einer der zweiten Elektroden aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Einkoppeln der zweiten hochfrequenten Spannung ein induktives Einkoppeln ist. Das induktive Einkoppeln erfolgt vorteilhafterweise mittels eines weiteren Transformators. Insbesondere sind zwei zweite Radiofrequenz-Spannungsquellen vorgesehen. Diese zusätzlichen Komponenten der Schaltungsanordnung sind insbesondere für die Beschaltung der ersten Elektrodenkonfiguration im ersten Betriebsmodus vorgesehen.According to yet another advantageous development of the invention, it is provided that the circuit arrangement has at least one second radio-frequency voltage source for coupling a second high-frequency voltage into an undercurrent path between at least one electrode element and at least one further electrode element of at least one of the second electrodes. In particular, it is provided that the coupling of the second high-frequency voltage is an inductive coupling. The inductive coupling is advantageously carried out by means of another transformer. In particular, two second radio frequency voltage sources are provided. These additional components of the circuit arrangement are provided in particular for the wiring of the first electrode configuration in the first operating mode.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung mit mehreren Elektrodenelementen zur Bildung von ersten Elektroden zur Erzeugung eines ersten Radiofrequenzfeldes in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration eine höherere Multipol-Ordnung aufweist als die Quadrupol-Ordnung, wobei die Multipol-Ionenspeichervorrichtung durch Kurzschließen oder quasi-Kurzschließen von mindestens zwei Elektrodenelementen unterschiedlicher erster Elektroden in eine zweite Elektrodenkonfiguration in Quadrupol-Ordnung mit zweiten Elektroden umgeschaltet wird. Das Umschalten ist insbesondere ein Umschalten in einen zweiten Betriebsmodus zur Massenselektion. Mit Vorteil ist die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration eine Decapol-Elektrodenkonfiguration und – wie gesagt – die zweite Elektrodenkonfiguration eine Quadrupol-Elektrodenkonfiguration. Die Decapol-Elektrodenkonfiguration ist besonders gut zum Einfüllen von Ionen in die Ionen-Speichervorrichtung und zur Manipulation der Ionen von außen geeignet.The invention further relates to a method of operating a multipole ion storage device having a plurality of electrode elements to form first electrodes for generating a first radio frequency field in a first multipole electrode configuration. In the method according to the invention, it is provided that the first multipole electrode configuration has a higher multipole order than the quadrupole order, wherein the multipole ion storage device is formed by shorting or quasi-shorting at least two electrode elements of different first electrodes into a second electrode configuration in quadrupole. Order is switched with second electrodes. The switching is in particular a switchover to a second operating mode for mass selection. Advantageously, the first multipole electrode configuration is a decapole electrode configuration and, as stated, the second electrode configuration is a quadrupole electrode configuration. The decapole electrode configuration is particularly well suited for filling ions into the ion storage device and for manipulating the ions from the outside.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass durch das Umschalten wahlweise die ersten Elektroden mit Potentialen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration oder die zweiten Elektroden mit Potentialen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration beaufschlagt werden. Die Vorrichtung weist eine elektrische Schaltungsanordnung zu dieser wahlweisen Beaufschlagung der ersten Elektroden und/oder zweiten Elektroden mit Spannungen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der ersten und/oder der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration auf.According to a further development of the method according to the invention, it is provided that, by switching over, the first electrodes with potentials for generating the radio-frequency field of the first multipole electrode configuration or the second electrodes with potentials for generating the radio-frequency field of the second multipole electrode configuration can be applied. The device has an electrical circuit arrangement for this selective loading of the first electrodes and / or second electrodes with voltages for generating the radio-frequency field of the first and / or the second multipole electrode configuration.

Bevorzugt koppelt eine erste Radiofrequenz-Spannungsquelle eine hochfrequente Spannung in einen Hauptstrompfad zwischen mindestens einer ersten anderen Elektrode und mindestens einer zweiten anderen Elektrode ein. Insbesondere koppelt eine zweite Radiofrequenz-Spannungsquelle eine weitere Radiofrequenz-Spannung in einen Unterstrompfad zwischen mindestens einem Elektrodenelement und mindestens einem anderen Elektrodenelement einer der anderen Elektrode ein.Preferably, a first radio frequency voltage source couples a high frequency voltage into a main current path between at least a first other electrode and at least a second other electrode. In particular, a second radio frequency voltage source couples a further radio frequency voltage into an undercurrent path between at least one electrode element and at least one other electrode element of one of the other electrodes.

Es zeigen:Show it:

1 eine Schnittdarstellung eines Elektrodenensembles mit sechs Elektrodenelementen einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, 1 3 is a sectional view of an electrode ensemble with six electrode elements of a multipole ion storage device according to a preferred embodiment of the invention,

2 auf der rechten Seite ein als Decapol-Feld ausgebildetes erstes Radiofrequenzfeld und ein dem Elektrodenensemble der 1 entsprechendes Ensemble mit einer Beschaltung zur Erzeugung eines diesem Decapol-Feld im Wesentlichen entsprechenden Feldes in einem ersten Betriebsmodus und auf seiner linken Seite ein als Quadrupol-Feld ausgebildetes zweites Radiofrequenzfeld und ein dem Elektrodenensemble der 1 ebenfalls entsprechendes Ensemble zur Erzeugung eines diesem Quadrupol-Feld im Wesentlichen entsprechenden Feldes in einem zweiten Betriebsmodus, und 2 on the right side as a Decapol field trained first radio frequency field and the electrode ensemble of 1 corresponding ensemble with a circuit for generating a decapol this field substantially corresponding field in a first mode of operation and on its left side designed as a quadrupole field second radio frequency field and the electrode ensemble of 1 also corresponding ensemble for generating a field substantially corresponding to this quadrupole field in a second operating mode, and

3 ein Schaltbild einer elektrische Schaltungsanordnung zur wahlweisen Beaufschlagung der Elektroden des Elektrodenensembles mit Spannungen in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration oder in einer zweite Multipol-Elektrodenkonfiguration. 3 a circuit diagram of an electrical circuit arrangement for selectively applying the electrodes of the electrode assembly with voltages in a first multipole electrode configuration or in a second multipole electrode configuration.

1 zeigt eine Schnittdarstellung eines mittels einer isolierenden Halterung 10 gehaltenen Elektrodenensembles 12 einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 mit sechs Elektrodenelementen 16, 18, 20, 22, 24, 26, die jeweils als rotationssymmetrische Elektrodenelemente ausgebildet sind. Die Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 sind entlang einer Symmetrieachse 28 (z-Achse) des Elektrodenensembles 12 angeordnet. Jedes der Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 hat einen Endbereich 30, 32, 34, 36, 38, 40, wobei die sich beim Beaufschlagen der Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 mit Spannungen ergebenden rotationssymmetrischen Felder in der Umgebung dieser Endbereiche 30, 32, 34, 36, 38, 40 im Inneren des Elektrodenensembles einen Speicherbereich 42 zur Aufnahme und Speicherung von (nicht gezeigten) Ionen begrenzen. 1 shows a sectional view of one by means of an insulating holder 10 held electrode ensembles 12 a multipole ion storage device 14 with six electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 , which are each formed as rotationally symmetrical electrode elements. The electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 are along an axis of symmetry 28 (z-axis) of the electrode ensemble 12 arranged. Each of the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 has an end area 30 . 32 . 34 . 36 . 38 . 40 wherein the upon application of the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 with tensions resulting rotationally symmetric fields in the vicinity of these end regions 30 . 32 . 34 . 36 . 38 . 40 inside the Elektrodenensembles a memory area 42 to limit the uptake and storage of ions (not shown).

In einem ersten Betriebsmodus des Elektrodenensembles 12 ist jedes der Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 als eine separate erste Elektrode 44, 46, 48, 50, 52, 54 beschaltet. Eine entsprechende erste Elektrodenkonfiguration 56 der ersten Elektroden 44, 46, 48, 50, 52, 54 ist schematisch auf der rechten Seite der 2 gezeigt. Entlang der Symmetrieachse 28 sind die ungeraden ersten Elektroden 44, 48, 52 zu jedem Zeitpunkt auf einem ersten Potential ψ1 (weiß gekennzeichnet) und die geraden ersten Elektroden 46, 50, 54 zu jedem Zeitpunkt auf einem zweiten Potential ψ2 (schwarz gekennzeichnet). Durch ein Beaufschlagen jeweils direkt benachbarter erster Elektroden 44, 46, 48, 50, 52, 54 der entlang der Symmetrieachse 28 rotationssymmetrisch ausgebildeten ersten Elektrodenkonfiguration 56 mit einer alternierend gepolten hochfrequenten Spannung, ist ein erstes Radiofrequenzfeld erzeugbar. Dieses erste Radiofrequenzfeld ist im Falle der in 1 dargestellten Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 mit sechs resultierenden ersten Elektroden 44, 46, 48, 50, 52, 54 ein erstes Radiofrequenzfeld, das eine Decapol-Ordnung aufweist.In a first mode of operation of the electrode ensemble 12 is each of the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 as a separate first electrode 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 wired. A corresponding first electrode configuration 56 the first electrodes 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 is schematically on the right side of the 2 shown. Along the axis of symmetry 28 are the odd first electrodes 44 . 48 . 52 at any time at a first potential ψ1 (marked in white) and the straight first electrodes 46 . 50 . 54 at any time at a second potential ψ2 (marked in black). By applying directly adjacent first electrodes 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 along the axis of symmetry 28 rotationally symmetrical first electrode configuration 56 with an alternatingly polarized high-frequency voltage, a first radio-frequency field can be generated. This first radio frequency field is in the case of in 1 shown multipole ion storage device 14 with six resulting first electrodes 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 a first radio frequency field having a Decapol order.

In einem zweiten Betriebsmodus der Ionen-Speichervorrichtung 14 sind die Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 in einer zweiten Elektrodenkonfiguration 58 paarweise als zweite Elektroden 60, 62, 64 beschaltet. Diese zweite Elektrodenkonfiguration 58 ist schematisch auf der linken Seite der 2 gezeigt. Entlang der Symmetrieachse 28 sind die ungeraden zweiten Elektroden 60, 64 auf einem ersten Potential φ1 (weiß gekennzeichnet) und die gerade zweite Elektrode 62 ist auf einem zweiten Potential φ2 (schwarz gekennzeichnet). Durch ein Beaufschlagen jeweils direkt benachbarter zweiter Elektroden 60, 62, 64 der entlang der Symmetrieachse 28 rotationssymmetrisch ausgebildeten zweiten Elektrodenkonfiguration 58 mit einer alternierend gepolten hochfrequenten Spannung ist ein zweites Radiofrequenzfeld erzeugbar. Dieses zweite Radiofrequenzfeld ist im Falle der in 1 dargestellten Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 mit drei resultierenden zweiten Elektroden 60, 62, 64 ein zweites Radiofrequenzfeld, das eine Quadrupol-Ordnung aufweist. In dem ersten Betriebsmodus wird somit durch die Beaufschlagung der jeweils benachbarten ersten Elektroden 44, 46, 48, 50, 52, 54 mit der ersten Spannung ein erstes Radiofrequenzfeld H5(r, z) und im zweiten Betriebsmodus durch die Beaufschlagung der jeweils benachbarten zweiten Elektroden 60, 62, 64 mit der zweiten Spannung ein zweites Radiofrequenzfeld H2(r, z) erzeugt.In a second mode of operation of the ion storage device 14 are the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 in a second electrode configuration 58 in pairs as second electrodes 60 . 62 . 64 wired. This second electrode configuration 58 is schematically on the left side of the 2 shown. Along the axis of symmetry 28 are the odd second electrodes 60 . 64 at a first potential φ1 (marked white) and the just second electrode 62 is at a second potential φ2 (marked black). By applying directly adjacent second electrodes 60 . 62 . 64 along the axis of symmetry 28 rotationally symmetrical second electrode configuration 58 a second radio-frequency field can be generated with an alternatingly polarized high-frequency voltage. This second radio frequency field is in the case of in 1 shown multipole ion storage device 14 with three resulting second electrodes 60 . 62 . 64 a second radio frequency field having a quadrupole order. In the first operating mode is thus by the application of the respective adjacent first electrodes 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 with the first voltage, a first radio-frequency field H 5 (r, z) and in the second operating mode by the application of the respectively adjacent second electrodes 60 . 62 . 64 generates a second radio frequency field H 2 (r, z) with the second voltage.

2 zeigt auf ihrer rechten Seite das resultierende elektrische Potential des als Decapol-Radiofrequenzfeld H5(r, z) ausgebildeten ersten Radiofrequenzfeldes zu einem Zeitpunkt t = 0 in einer Ebene, in der die Symmetrieachse (z-Achse) 28 liegt. Deutlich sichtbar ist in der Nähe von r = 0 und z = 0, also im Inneren des Speicherbereichs 42, ein feldfreier Raum zu erkennen. Dem Feld H5(r, z) ist die „reale” erste Elektrodenanordnung 56 entsprechend der Endbereiche 30, 32, 34, 36, 38, 40 der 1 überlagert eingezeichnet. Die ersten Elektroden 44, 46, 48, 50, 52, 54 dieser Form erzeugen ein dem Feld H5(r, z) entsprechendes Potential. 2 shows on its right side the resulting electric potential of the decapol radio frequency field H 5 (r, z) formed first radio frequency field at a time t = 0 in a plane in which the symmetry axis (z-axis) 28 lies. Clearly visible is near r = 0 and z = 0, ie inside the memory area 42 to recognize a field-free space. The field H 5 (r, z) is the "real" first electrode arrangement 56 according to the end areas 30 . 32 . 34 . 36 . 38 . 40 of the 1 superimposed drawn. The first electrodes 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 of this form produce a potential corresponding to the field H 5 (r, z).

2 zeigt auf ihrer linken Seite das elektrische Potential einer als Paulfalle (Quadrupolspeicher in 3D Geometrie) wirkenden Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 in der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration 58, bei dem die ersten und zweiten Elektrodenelemente 16, 18 als eine der zweiten Elektroden 60 ausgebildet, die einer Endkappenelektrode der Paul-Falle entspricht. Das dritte und das vierte Elektrodenelement 20, 22 ist als andere der zweiten Elektroden 62 ausgebildet, die der Ringelektrode der Paul-Falle entspricht. Schließlich ist das fünfte und sechste Elektrodenelement 24, 26 als weiteres der zweiten Elektroden 64 ausgebildet, die einer weiteren Endkappenelektrode der Paul-Falle entspricht. Die Ionenspeichervorrichtung 14 in Quadrupol-Elektrodenkonfiguration kann auch zur Massenanalyse der Ionen verwendet werden. Zur Massenanalyse wird die Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 mit einer Kombination aus hochfrequenter (Wechsel-)Spannung und Gleichspannung betrieben. 2 shows on its left side the electrical potential of a multipole ion storage device acting as Paul trap (quadrupole storage in 3D geometry) 14 in the second multipole electrode configuration 58 in which the first and second electrode elements 16 . 18 as one of the second electrodes 60 formed corresponding to an end cap electrode of the Paul trap. The third and the fourth electrode element 20 . 22 is as another of the second electrodes 62 formed, which corresponds to the ring electrode of the Paul trap. Finally, the fifth and sixth electrode element 24 . 26 as another of the second electrodes 64 formed corresponding to another end cap electrode of the Paul trap. The ion storage device 14 in quadrupole electrode configuration can also be used for mass analysis of the ions. For mass analysis, the multipole ion storage device 14 operated with a combination of high frequency (AC) voltage and DC voltage.

Das resultierende zweite Radiofrequenzfeld lässt sich somit ebenfalls mittels des in 1 gezeigten Elektrodenensembles 12 bei einer Beschaltung der rotationssymmetrisch ausgebildeten Elektrodenelementen 16, 18, 20, 22, 24, 26 in der zweiten Elektrodenkonfiguration 58 erzeugen. Ein entsprechendes um die z-Achse rotationssymmetrisches Potential, H2(r, z, t) = Φ0(t)(r2-2 z2)/r0 2 [1] mit Φ0(t) = V0 cos (Ωt) – U0 [2] ist beispielhaft für einen Zeitpunkt (t = 0) und U0 = 0 in der r-z-Ebene dargestellt.The resulting second radio frequency field can thus also be determined by means of the in 1 shown electrode ensembles 12 in a wiring of the rotationally symmetrical electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 in the second electrode configuration 58 produce. A corresponding about the z-axis rotationally symmetric potential, H 2 (r, z, t) = Φ 0 (t) (r 2 -2 z 2 ) / r 0 2 [1] with Φ 0 (t) = V 0 cos (Ωt) - U 0 [2] is exemplified for a time (t = 0) and U 0 = 0 in the rz plane.

H2(r, z) und H5(r, z) erfüllen jeweils die Laplace-Gleichung, beschreiben also das Feld innerhalb einer möglichen Elektrodengeometrie, was für die Realisierung wichtig ist.H 2 (r, z) and H 5 (r, z) each satisfy the Laplace equation, thus describing the field within a possible electrode geometry, which is important for the realization.

Zum Umschalten der Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 von der ersten Elektrodenkonfiguration 56 in die zweite Elektrodenkonfiguration 58 werden mindestens zwei Elektrodenelemente unterschiedlicher erster Elektroden der ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration 56 kurzgeschlossen oder quasi-kurzgeschlossen, sodass in der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration 58 drei rotationssymmetrisch ausgebildeten zweite Elektroden 60, 62, 64 zur Erzeugung des zweiten Radiofrequenzfeldes gebildet werden.To switch the multipole ion storage device 14 from the first electrode configuration 56 in the second electrode configuration 58 become at least two electrode elements of different first electrodes of the first multipole electrode configuration 56 shorted or quasi-shorted so that in the second multipole electrode configuration 58 three rotationally symmetrical second electrodes 60 . 62 . 64 are formed for generating the second radio frequency field.

Dieselben Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26, die im Fall der ersten Elektrodenkonfiguration 56 im Wesentlichen das Feld H5(r, z) erzeugen sind auf der linken Seite der 2 dem Feld H2(r, z) überlagert dargestellt. Die Geometrie der Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 bleibt unverändert. Die elektrische Beschaltung ist indes eine andere. Das erkennt man an der Anordnung von schwarz und weiß markierten Elektrodenelementen 16, 18, 20, 22, 24, 26, die die Phasenlage des an die Elektrodenelemente angelegten Potentials φ1, φ2 (mit φ1 – φ2 = 2Φ) darstellen. Die hier präsentierte Elektrodengeometrie erzeugt ein Feld, das eine gute Annäherung an das H2(r, z) Potential zeigt. Durch Umschalten der Spannungen an den Elektrodenelementen 16, 18, 20, 22, 24, 26 ist somit ein Betrieb sowohl als Quadrupolspeicher (Paulgeometrie, H2) als auch als Decapolspeicher (H5) möglich. Der Decapol wurde hier lediglich als ein Beispiel gewählt. Alle Multipole höherer Ordnung, H2n+1(r, z) mit n = 1, 2, ..., lassen sich generell durch Änderung der Beschaltung als H2(r, z) Speicher betreiben. Allerdings wird für höhere Multipolordnungen die mechanische Realisierung komplexer und die Verdrahtung schwieriger.The same electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 in the case of the first electrode configuration 56 Substantially generate the field H 5 (r, z) are on the left side of the 2 the field H 2 (r, z) shown superimposed. The geometry of the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 stays unchanged. The electrical wiring is, however, a different one. This can be recognized by the arrangement of black and white marked electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 representing the phase position of the potential applied to the electrode elements φ1, φ2 (with φ1 - φ2 = 2Φ). The electrode geometry presented here produces a field that shows a good approximation to the H 2 (r, z) potential. By switching the voltages on the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 Thus operation is possible both as quadrupole storage (Paul geometry, H 2 ) and as decapol storage (H 5 ). The decapol was chosen here merely as an example. All multiples of higher order, H 2n + 1 (r, z) with n = 1, 2, ..., can generally be operated as H 2 (r, z) memory by changing the wiring. However, for higher multipole orders the mechanical realization becomes more complex and the wiring more difficult.

Für die praktische Realisierung der Vorrichtung ist eine Beschaltung der Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 erforderlich, die es gestattet, zwischen den beiden Betriebsmodi hin- und herzuschalten. Ein kontinuierlicher Übergang zwischen den Modi ist dabei wünschenswert. Bevor eine Schaltungsanordnung 66 diskutiert wird, die dies ermöglicht, wird eine grundsätzliche Lösung angegeben.For the practical realization of the device is a wiring of the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 required, which allows switching between the two modes of operation. A continuous transition between the modes is desirable. Before a circuit arrangement 66 is discussed, which makes this possible, a fundamental solution is given.

Die Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24 der Speichervorrichtung 14 lassen sich in als zweiten Elektroden 60, 62, 64 für das H2(r, z) Feld und als erste Elektroden 44, 46, 48, 50, 52, 54 für das H5(r, z) Feld beschalten. Dabei müssen einige Elektrodenelemente 16, 18, 24, 26, die im H2 Modus mit den Potentialen φ1 beaufschlagt sind, im H5-Modus mit den Potentialen ψ1 (Elektrodenelemente 16, 24), andere mit den Potentialen ψ2 beaufschlagt sein (Elektrodenelemente 18, 26). Dies gilt ebenso für die im H2-Modus mit φ2 beaufschlagten Elektrodenelemente 20, 22. Insgesamt gibt es demnach vier verschiedene Gruppen von Elektrodenelementen, die man durch die Kombinationen (ψ1, φ1), (ψ1, φ2), (ψ2, φ1) und (ψ2, φ2) darstellen kann. Das erste Elektrodenelement 16 und das fünfte Elektrodenelement 24 werden im ersten Modus mit ψ1 und im zweiten Modus mit φ1 beschaltet, das dritte Elektrodenelement 20 wird im ersten Modus mit ψ1 und im zweiten Modus mit φ2 beschaltet, das zweite Elektrodenelement 18 und das sechste Elektrodenelement 26 werden im ersten Modus mit ψ2 und im zweiten Modus mit φ1 beschaltet und das vierte Elektrodenelement 22 wird in im ersten Modus mit ψ2 und im zweiten Modus mit φ2 beschaltet.The electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 the storage device 14 can be used as second electrodes 60 . 62 . 64 for the H 2 (r, z) field and as first electrodes 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 for the H 5 (r, z) field. Here are some electrode elements 16 . 18 . 24 . 26 , which are acted upon in the H 2 mode with the potentials φ1, in H 5 mode with the potentials ψ1 (electrode elements 16 . 24 ), others with the potentials ψ2 be acted upon (electrode elements 18 . 26 ). This also applies to the electrode elements acted upon by φ2 in H 2 mode 20 . 22 , Overall, there are therefore four different groups of electrode elements, which can be represented by the combinations (ψ1, φ1), (ψ1, φ2), (ψ2, φ1) and (ψ2, φ2). The first electrode element 16 and the fifth electrode element 24 are connected in the first mode with ψ1 and in the second mode with φ1, the third electrode element 20 is connected in the first mode with ψ1 and in the second mode with φ2, the second electrode element 18 and the sixth electrode element 26 are connected in the first mode with ψ2 and in the second mode with Φ1 and the fourth electrode element 22 is connected in the first mode with ψ2 and in the second mode with φ2.

Die Spannungen für den H2-Modus und den H5-Modus kann man nun einfach überlagern. Für den H2-Modus bzw. den H5-Modus schreibt man das angelegte Potential (aus Gleichung [2]) als +/– Φ0,2(t) = +/– (V0,2 cos (Ω2t) – U0,2) [3] +/– Φ0,5(t) = +/– (V0,5 cos (Ω5t) – U0,5) [4] The voltages for the H 2 mode and the H 5 mode can now be easily overlaid. For H 2 mode or H 5 mode, the applied potential (from equation [2]) is written as +/- Φ 0,2 (t) = +/- (V 0,2 cos (Ω 2 t) - U 0,2 ) [3] +/- Φ 0,5 (t) = +/- (V 0,5 cos (Ω 5 t) - U 0,5 ) [4]

Durch geeignete Addition jeweils zwei der vier Potentiale ψ1, ψ2, φ1, φ2 (mit Vorzeichen) kann man ganz allgemein die Beschaltungen der Darstellung in , also die Kombinationen der Übergänge [φ1, ψ1] = 1.1, [φ1, ψ2] = 1.2, [φ2, ψ1] = 2.1 und [φ2, ψ2] = 2.2 erzielen. Damit sind grundsätzlich die Feldgeometrie und die Beschaltung einer massenselektiven Multipol-Ionenspeichervorrichtung 14 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt.By suitable addition in each case two of the four potentials ψ1, ψ2, φ1, φ2 (with sign) can be quite general, the wiring of the representation in , ie the combinations of the transitions [φ1, ψ1] = 1.1, [φ1, ψ2] = 1.2, [φ2, ψ1] = 2.1 and [φ2, ψ2] = 2.2. Thus, in principle, the field geometry and the wiring of a mass-selective multipole ion storage device 14 shown in a preferred embodiment.

Eine entsprechende Multipol-Ionenspeichervorrichtung in linearer Anordnung zur Erzeugung von Radiofrequenzfeldern in zweidimensionaler Geometrie (hier nicht gezeigt) weist mehrere entlang einer entsprechenden Symmetrieachse punktsymmetrisch ausgebildete Elektrodenelemente zur Bildung von ersten Elektroden in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration höherer Ordnung, bevorzugt einer Oktupol-Elektrodenkonfiguration, zur Erzeugung des ersten Radiofrequenzfeldes in zweidimensionaler Geometrie auf, wobei auch die Multipol-Ionenspeichervorrichtung in linearer Anordnung durch Kurzschließen oder quasi-Kurzschließen von mindestens zwei Elektrodenelementen unterschiedlicher erster Elektroden in die Quadrupol-Elektrodenkonfiguration mit zweiten Elektroden zur Erzeugung des zweiten Radiofrequenzfeldes in zweidimensionaler Geometrie umschaltbar ist.A corresponding multipole ion storage device in a linear arrangement for generating radio frequency fields in two-dimensional geometry (not shown here) comprises a plurality of electrode elements point-symmetrically formed along a respective symmetry axis to form first electrodes in a first multipole electrode configuration of higher order, preferably an octupole electrode configuration Generation of the first radio frequency field in two-dimensional geometry, wherein the multipole ion storage device in a linear arrangement by shorting or quasi-shorting of at least two electrode elements of different first electrodes in the quadrupole electrode configuration with second electrodes for generating the second radio frequency field in two-dimensional geometry is switchable.

Eine praktische Schaltungsanordnung 66 für den Betrieb gemäß den Abbildungen der 2 links und rechts ist in 3 gezeigt. Eine als Signalgenerator für Radiofrequenzspannungen RF (H2) ausgebildete erste Radiofrequenz-Spannungsquelle 68 erzeugt durch Überlagerung einer Gleichspannungsdifferenz (U0 , 2 = U2 – U1 = DC2 – DC1) das erforderliche Potential, φ1, φ2 = +/– Φ0,2(t), für den zweiten Betriebsmodus (H2-Modus). Die Schaltungsanordnung 66 weist einen Hauptstrompfad 70 zwischen mindestens einer ersten der zweiten Elektroden 60, 64 und mindestens einer weiteren der zweiten Elektrode 62 auf, in den die erste Radiofrequenz-Spannungsquelle 68 eine hochfrequente Spannung über einen Transformator 72 induktiv einkoppelt. Mittels einer entsprechenden ersten Radiofrequenz-Spannung wird das zweite Radiofrequenzfeld erzeugt.A practical circuit arrangement 66 for the operation according to the pictures of the 2 Left and right is in 3 shown. A first radio-frequency voltage source designed as a signal generator for radio-frequency voltages RF (H 2 ) 68 generates the required potential, φ1, φ2 = +/- Φ 0,2 (t), by superimposing a DC voltage difference (U 0 , 2 = U 2 - U 1 = DC 2 - DC 1 ), for the second operating mode (H 2 mode) , The circuit arrangement 66 has a main current path 70 between at least a first of the second electrodes 60 . 64 and at least one other of the second electrode 62 in which the first radio frequency voltage source 68 a high frequency voltage across a transformer 72 inductively coupled. By means of a corresponding first radio-frequency voltage, the second radio-frequency field is generated.

Die erste der zweiten Elektroden 60 und die weitere der zweiten Elektroden 64 ist zur zusätzlichen Beaufschlagung mit einer ersten Gleichspannung über einen ersten Zusatzstrompfad 74 mit einer ersten Gleichspannungsquelle 76 elektrisch verbunden und die andere der zweiten Elektrode 62 ist zur zusätzlichen Beaufschlagung mit einer zweiten Gleichspannung über einen zweiten Zusatzstrompfad 78 mit einer zweiten Gleichspannungsquelle 80 elektrisch verbunden.The first of the second electrodes 60 and the other of the second electrodes 64 is for additional application of a first DC voltage via a first additional current path 74 with a first DC voltage source 76 electrically connected and the other of the second electrode 62 is for additional application of a second DC voltage via a second additional current path 78 with a second DC voltage source 80 electrically connected.

Die Schaltungsanordnung 66 weist weiterhin zwei weitere Radiofrequenz-Spannungsquellen 82, 84 gleicher Phasenlage zum Einkoppeln einer weiteren Radiofrequenz-Spannung in je einen Unterstrompfad 86, 88 zwischen mindestens einem Elektrodenelement 16, 20, 24 und mindestens einem anderen Elektrodenelement 18, 22, 26 mindestens einer der zweiten Elektroden 60, 62, 64 auf. Die zwei weiteren Radiofrequenz-Spannungsquellen sind als Signalgeneratoren für RF (H5)(Ω5) gleicher Phasenlage (in der Abbildung mit RF1(H2n + 1) und RF2(H2n + 1) bezeichnet) ausgebildet. Sie erzeugen die elektrischen Potentiale, ψ1, ψ2 = +/– Φ0,5(t) des ersten Radiofrequenzfeldes im ersten Betriebsmodus (H5-Modus). Dies ist alternativ auch mit einem einzelnen Signalgenerator mit zwei Abnehmern auf einem Spulenkern möglich. Der Einfachheit halber sind in 3 jedoch zwei unabhängige Spannungsquellen 76, 80 eingezeichnet. In der dargestellten Schaltungsanordnung 66 werden die Spannungen für das H5 Feld denen für das H2 Feld überlagert. Somit ist auch eine praktische Realisierung der Schaltungsanordnung 66 und der Beschaltung der Elektrodenelemente 16, 18, 20, 22, 24, 26 der Multipol-Ionenspeichervorrichtung (hier für den praktischen Fall U0,5 = 0) aufgezeigt.The circuit arrangement 66 also has two more radio frequency voltage sources 82 . 84 same phase position for coupling a further radio frequency voltage in each case an undercurrent path 86 . 88 between at least one electrode element 16 . 20 . 24 and at least one other electrode element 18 . 22 . 26 at least one of the second electrodes 60 . 62 . 64 on. The two other radio frequency voltage sources are designed as signal generators for RF (H 5 ) (Ω 5 ) of the same phase position (denoted by RF1 (H2n + 1) and RF2 (H2n + 1) in the figure). They generate the electrical potentials, ψ1, ψ2 = +/- Φ 0,5 (t) of the first radio frequency field in the first operating mode (H 5 mode). This is alternatively possible with a single signal generator with two pickups on a spool core. For the sake of simplicity, in 3 however, two independent voltage sources 76 . 80 located. In the illustrated circuit arrangement 66 the voltages for the H 5 field are superimposed on those for the H 2 field. Thus, also a practical realization of the circuit arrangement 66 and the wiring of the electrode elements 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 the multipole ion storage device (here for the practical case U 0.5 = 0) shown.

Es ergeben sich folgende mögliche Anwendungen für die Multipol-Ionenspeichervorrichtung: Nach erfolgreicher Präparation, Massenselektion und Untersuchung der gespeicherten Ionen sollten die Ionen noch nachgewiesen werden. Dazu müssen sie aus der Speichervorrichtung 14 zu einem empfindlichen Detektor, zum Beispiel zu einer Mikrokanal-Platte (MCP: Micro Channel Plate), geführt werden. Die Massenanalyse kann bei dem hier vorgestellten Instrument bereits in der Speichervorrichtung erfolgen. Allerdings ist es auch wünschenswert die Speichervorrichtung mit üblichen Massenspektrometern zu kombinieren. Besonders attraktiv sind Flugzeitmassenspektrometer oder die sogenannte Orbi-Trag, die beide ein komplettes Massenspektrum des Speicherinhaltes in einem „Schlag” liefern. Das Auflösungsvermögen dieser Massenspektrometer hängt mit der Energie- und Ortsfokussierung der Ionen vor der Analyse zusammen. Aufgrund der feldfreien Geometrie der Multipolfelder ist eine Ortsfokussierung nicht möglich, was einer guten Kopplung von Speicher mit Massenspektrometer entgegen wirkt, Der Betrieb des 3D-Mulitpol Speichers als Paulfalle (3D-Fokussierung! – nur 2D Fokussierung bei linearem Quadrupol-Speicher) vor der letzten Massenanalyse löst auch dieses Problem.The following possible applications for the multipole ion storage device result: After successful preparation, mass selection and investigation of the stored ions, the ions should still be detected. For this they have to leave the storage device 14 to a sensitive detector, for example to a microchannel plate (MCP: Micro Channel Plate). The mass analysis can already take place in the storage device in the case of the instrument presented here. However, it is also desirable to combine the memory device with conventional mass spectrometers. Particularly attractive are time-of-flight mass spectrometers or the so-called Orbi-Trag, which both provide a complete mass spectrum of the memory contents in one "blow". The resolution of these mass spectrometers is related to the energy and site focusing of the ions prior to analysis. Due to the field-free geometry of the multipole field, a location focusing is not possible, which counteracts a good coupling of memory with mass spectrometer, the operation of the 3D Mulitpol memory as Paul trap (3D focusing! - only 2D focusing in linear quadrupole memory) before the last Mass analysis also solves this problem.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Halterungbracket
1212
Elektrodenensembleelectrodes Ensemble
1414
Multipol-IonenspeichervorrichtungMultipole ion storage device
1616
erstes Elektrodenelementfirst electrode element
1818
zweites Elektrodenelementsecond electrode element
2020
drittes Elektrodenelementthird electrode element
2222
viertes Elektrodenelementfourth electrode element
2424
fünftes Elektrodenelementfifth electrode element
2626
sechstes Elektrodenelementsixth electrode element
2828
Symmetrieachseaxis of symmetry
3030
Endbereichend
3232
Endbereichend
3434
Endbereichend
3636
Endbereichend
3838
Endbereichend
4040
Endbereichend
4242
Speicherbereichstorage area
4444
erste Elektrodefirst electrode
4646
erste Elektrodefirst electrode
4848
erste Elektrodefirst electrode
5050
erste Elektrodefirst electrode
5252
erste Elektrodefirst electrode
5454
erste Elektrodefirst electrode
5656
erste Elektrodenkonfigurationfirst electrode configuration
5858
zweite Elektrodenkonfigurationsecond electrode configuration
6060
zweite Elektrodesecond electrode
6262
zweite Elektrodesecond electrode
6464
zweite Elektrodesecond electrode
6666
Schaltungsanordnungcircuitry
6868
erste Radiofrequenz-Spannungsquellefirst radio frequency voltage source
7070
HauptstrompfadMain current path
7272
Transformatortransformer
7474
erster Zusatzstrompfadfirst additional current path
7676
GleichspannungsquelleDC voltage source
7878
zweiter Zusatzstrompfadsecond additional current path
8080
GleichspannungsquelleDC voltage source
8282
zweite Radiofrequenz-Spannungsquellesecond radio frequency voltage source
8484
zweite Radiofrequenz-Spannungsquellesecond radio frequency voltage source
8686
UnterstrompfadUnder current path
8888
UnterstrompfadUnder current path

Claims (12)

Multipol-Ionenspeichervorrichtung (14) mit mehreren Elektrodenelementen (16, 18, 20, 22, 24, 26) zur Bildung von ersten Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration (56) zur Erzeugung eines ersten Radiofrequenzfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration (56) eine höherere Multipol-Ordnung aufweist als die Quadrupol-Ordnung, wobei die Multipol-Ionenspeichervorrichtung (14) durch Kurzschließen oder quasi-Kurzschließen von mindestens zwei Elektrodenelementen (16, 18; 20, 22; 24, 26) unterschiedlicher erster Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) in eine zweite Elektrodenkonfiguration (58) in Quadrupol-Ordnung mit zweiten Elektroden (60, 62, 64) umschaltbar ist.Multipole ion storage device ( 14 ) with a plurality of electrode elements ( 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 ) for the formation of first electrodes ( 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 ) in a first multipole electrode configuration ( 56 ) for generating a first radio-frequency field, characterized in that the first multipole electrode configuration ( 56 ) has a higher multipole order than the quadrupole order, the multipole ion storage device ( 14 ) by short-circuiting or quasi-shorting at least two electrode elements ( 16 . 18 ; 20 . 22 ; 24 . 26 ) of different first electrodes ( 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 ) into a second electrode configuration ( 58 ) in quadrupole order with second electrodes ( 60 . 62 . 64 ) is switchable. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Elektroden entlang einer Symmetrieachse (26) punktsymmetrisch ausgebildete Elektroden oder rotationssymmetrisch ausgebildete Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) sind.Multipole ion storage device according to claim 1, characterized in that the first and / or second electrodes along an axis of symmetry ( 26 ) point-symmetrical electrodes or rotationally symmetrical electrodes ( 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 ) are. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle rotationssymmetrischen Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54; 60, 62, 64) als toroidale Elektroden ausgebildet sind.Multipole ion storage device according to claim 2, characterized in that all rotationally symmetrical electrodes ( 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 ; 60 . 62 . 64 ) are formed as toroidal electrodes. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration (56) eine Decapol-Elektrodenkonfiguration ist.Multipole ion storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the first multipole electrode configuration ( 56 ) is a Decapol electrode configuration. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der ersten Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) von genau einem Elektrodenelement (16, 18, 20, 22, 24, 26) gebildet wird.Multipole ion storage device according to one of the preceding claims, characterized in that each of the first electrodes ( 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 ) of exactly one electrode element ( 16 . 18 . 20 . 22 . 24 . 26 ) is formed. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltungsanordnung zur wahlweisen Beaufschlagung der ersten Elektroden (44, 46, 48, 50, 52, 54) und/oder zweiten Elektroden (60, 62, 64) mit Spannungen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der ersten und/oder der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration (56, 58).Multipole ion storage device according to one of the preceding claims, characterized by an electrical circuit arrangement for the selective application of the first electrodes ( 44 . 46 . 48 . 50 . 52 . 54 ) and / or second electrodes ( 60 . 62 . 64 ) with voltages for generating the radio-frequency field of the first and / or the second multipole electrode configuration ( 56 . 58 ). Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Hauptstrompfad zwischen mindestens einer ersten der zweiten Elektroden (60, 64) und mindestens einer weiteren der zweiten Elektroden (62) aufweist, wobei eine erste Radiofrequenz-Spannungsquelle eine erste hochfrequente Spannung in den Hauptstrompfad einkoppelt.Multipole ion storage device according to claim 6, characterized in that the circuit arrangement has a main current path between at least a first of the second electrodes ( 60 . 64 ) and at least one other of the second electrodes ( 62 ), wherein a first radio-frequency voltage source couples a first high-frequency voltage into the main current path. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppeln der einen hochfrequenten Spannung ein induktives Einkoppeln ist.Multipole ion storage device according to claim 7, characterized in that the coupling of a high-frequency voltage is an inductive coupling. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste der zweiten Elektroden (60, 64) zur zusätzlichen Beaufschlagung mit einer ersten Gleichspannung über einen ersten Zusatzstrompfad mit einer ersten Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist und dass die weitere der zweiten Elektroden (62) zur zusätzlichen Beaufschlagung mit einer zweiten Gleichspannung über einen zweiten Zusatzstrompfad mit einer zweiten Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist.Multipole ion storage device according to claim 7, characterized in that the first of the second electrodes ( 60 . 64 ) is electrically connected to a first DC voltage source for additional application of a first DC voltage via a first additional current path and that the further one of the second electrodes ( 62 ) is electrically connected to a second DC voltage source for additional application of a second DC voltage via a second additional current path. Multipol-Ionenspeichervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung mindestens eine weitere Radiofrequenz-Spannungsquelle zum Einkoppeln einer weiteren Radiofrequenz-Spannung in einen Unterstrompfad zwischen mindestens einem Elektrodenelement (16, 20, 24) und mindestens einem anderen Elektrodenelement (18, 22, 26) mindestens einer der zweiten Elektroden (60, 62, 64) aufweist.Multipole ion storage device according to claim 7, characterized in that the circuit arrangement at least one further radio frequency voltage source for coupling a further radio frequency voltage in an undercurrent path between at least one electrode element ( 16 . 20 . 24 ) and at least one other electrode element ( 18 . 22 . 26 ) at least one of the second electrodes ( 60 . 62 . 64 ) having. Verfahren zum Betreiben einer Multipol-Ionenspeichervorrichtung mit mehreren Elektrodenelementen zur Bildung von ersten Elektroden zur Erzeugung eines ersten Radiofrequenzfeldes in einer ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Multipol-Elektrodenkonfiguration eine höherere Multipol-Ordnung aufweist als die Quadrupol-Ordnung, wobei die Multipol-Ionenspeichervorrichtung durch Kurzschließen oder quasi-Kurzschließen von mindestens zwei Elektrodenelementen unterschiedlicher erster Elektroden in eine zweite Elektrodenkonfiguration in Quadrupol-Ordnung mit zweiten Elektroden umgeschaltet wird.A method of operating a multipole ion storage device having a plurality of electrode elements to form first electrodes for generating a first radio frequency field in a first multipole electrode configuration, characterized in that the first multipole electrode configuration has a higher multipole order than the quadrupole order, wherein the Multipole ion storage device is switched by shorting or quasi-shorting of at least two electrode elements of different first electrodes in a second electrode configuration in quadrupole order with second electrodes. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umschalten wahlweise die ersten Elektroden mit Potentialen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der ersten Multipol-Elektrodenkonfiguration oder die zweiten Elektroden mit Potentialen zur Erzeugung des Radiofrequenzfeldes der zweiten Multipol-Elektrodenkonfiguration beaufschlagt werden.A method according to claim 11, characterized in that by switching optionally the first electrodes are applied with potentials for generating the radio frequency field of the first multipole electrode configuration or the second electrodes with potentials for generating the radio frequency field of the second multipole electrode configuration.
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