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Die
Massenspektrometrie (MS) stellt ein Analyseverfahren dar, das zur
quantitativen Elementaranalyse von Proben eingesetzt wird. Die Moleküle in
einer Probe werden ionisiert und entsprechend ihren Massen durch
ein Spektrometer getrennt. Dann werden die getrennten Analytionen
detektiert und ein Massenspektrum der Probe erzeugt. Das Massenspektrum
liefert Informationen über die Massen und in manchen Fällen
auch über die in der Probe enthaltenen Mengen der verschiedenen
Analytpartikel. Insbesondere kann die Massenspektrometrie zur Bestimmung
der Molmassen der Moleküle und Molekülfragmente
in einem Analyt genutzt werden. Außerdem können
auf der Grundlage eines Fragmentierungsmusters Komponenten des Analyten
bestimmt werden.
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Die
zur massenspektrometrischen Analyse vorgesehenen Analytionen können
durch verschiedene Ionisationssysteme erzeugt werden. Zum Beispiel
können zur Erzeugung von Ionen in einem Massenspektrometriesystem
Systeme wie die matrixgestützte Atmosphärendruck-Laserdesorptionsionisation
(AP-MALDI), die Atmosphärendruck-Fotoionisation (APPI),
die Elektrospray-Ionisation (ESI), die chemische Atmosphärendruck-Ionisation
(APCI) und das induktiv gekoppelte Plasma (ICP) eingesetzt werden.
Bei vielen dieser Systeme werden die Ionen bei Atmosphärendruck
(760 Torr) oder bei Drücken nahe dem Atmosphärendruck
erzeugt. Nachdem die Analytionen erzeugt wurden, müssen
sie in ein Massenspektrometer eingegeben oder eingeschleust werden. Üblicherweise
herrscht im Analysatorbereich eines Massenspektrometers ein Hochvakuum zwischen
10–4 Torr und 10–8 Torr.
In der Praxis beinhaltet das Einschleusen der Ionen das Transportieren
der Analytionen in Form eines fein gebündelten Ionenstrahls
von der Ionenquelle durch eine oder mehrere zwischengeschaltete
Vakuumkammern bis in die Hochvakuumkammer des Massenspektrometers.
In jeder der zwischengeschalteten Vakuumkammern herrscht ein bestimmter
Grad an Vakuum zwischen dem der vorhergehenden und der nachfolgenden
Kammer. Dadurch erfahren die Analytionen des Ionenstrahls einen
schrittweisen Übergang vom Druck zum Zeitpunkt der Ionenbildung
bis zum Druck im Massenspektrometer. Bei den meisten Anwendungen
besteht der Wunsch, die Ionen ohne nennenswerte Ionenverluste durch
jede der verschiedenen Kammern eines Massenspektrometersystems zu
transportieren. Oft wird ein Ionenleitsystem verwendet, um Ionen
in einer definierten Richtung in das MS-System zu lenken.
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Ionenleitsysteme
nutzen üblicherweise elektromagnetische Felder, um die
Ionen radial zu bündeln und gleichzeitig den Ionentransport
in axialer Richtung zuzulassen oder zu begünstigen. Bei
einer Art von Ionenleitsystemen wird durch Anlegen einer zeitlich
veränderlichen Spannung, deren Frequenz oft im Hochfrequenz-(HF-)Bereich
liegt, ein mehrpoliges Feld erzeugt. Diese so genannten mehrpoligen HF-Ionenleitsysteme
haben beim Überführen von Ionen zwischen den Teilen
von MS-Systemen sowie den Komponenten von Ionenfallen eine Vielzahl
von Anwendungen gefunden. Wenn die HF-Ionenleitsysteme in Anwesenheit
eines Puffergases betrieben werden, können sie die Geschwindigkeit
von Ionen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verringern.
Diese Verringerung der Ionengeschwindigkeit in axialer und radialer
Richtung ist unter der Bezeichnung Wärmeentzug (”Thermalisierung”)
oder ”Kühlung” der Ionenkollektive durch
Mehrfachstöße der Ionen mit den neutralen Molekülen
des Puffergases bekannt. Bei gekühlten Ionenstrahlen, die
in radialer Richtung komprimiert sind, wird der Durchtritt des Ionenstrahls
durch die Öffnungen des MS-Systems verbessert und die radiale
Geschwindigkeitsverteilung in Laufzeitinstrumenten (TOF) eingeengt.
Die mehrpoligen HF-Ionenleitsysteme erzeugen einen Pseudo-Potenzialtopf,
welcher die Ionen innerhalb des Ionenleitsystems bündelt.
Bei Multipolen mit konstantem Querschnitt bleibt dieses Pseudopotenzial über
die Länge hinweg konstant und erzeugt deshalb außer
an den Eintritts- und Austrittsstellen keine axialen Kräfte.
Am Eingang des mehrpoligen Ionenleitsystems kann dieser Übergangseffekt
durch eine Linse oder andere technische Maßnahmen beseitigt werden,
indem den Ionen so viel Energie zugeführt wird, dass sie
in den Multipol eintreten können. Der Ausgang des mehrpoligen
Ionenleitsystems stellt für die Ionen kein Hindernis dar,
da sie am Ausgang durch das Pseudopotenzial aus dem mehrpoligen
Ionenleitsystem in die gewünschte Richtung gelenkt werden.
Bekannte mehrpolige Ionenleitsysteme weisen normalerweise eine Eintrittsöffnung
mit einem relativ großen Durchmesser auf, der sich zur
Aufnahme der Ionen eignet. Der Durchmesser der Austrittsstelle sollte
jedoch nicht genauso groß sein, wenn der dort austretende
Ionenstrahl einen kleinen Durchmesser haben soll. Bei bekannten
Ionenleitsystemen mit einem im Wesentlichen nicht konstanten Querschnitt wird
jedoch entlang der Laufachse eine variable Pseudo-Potenzialbarriere
erzeugt, die axiale Kräfte erzeugt, welche die Ionen abbremsen
oder sogar reflektieren können. Und schließlich
kann auch das Puffergas, das sich zum Kühlen der Ionen
als nützlich erweist, zum Abbremsen der Ionen im Ionenleitsystem
führen.
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Deshalb
besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, die Ionen durch ein Massenspektrometriesystem
führt und zumindest die oben beschriebenen Nachteile bekannter
Vorrichtungen beseitigt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegenden Lehren lassen sich am besten aus der folgenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen.
Die Merkmale der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht
dargestellt. Sofern dies sinnvoll ist, werden gleiche Merkmale durch
gleiche Bezugsnummern bezeichnet.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines MS-Systems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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2A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems
gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
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2B zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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Die 2C, 2D und 2E zeigen
perspektivische Ansichten eines Quadrupol-Ionenleitsystems, eines
Hexapol-Ionenleitsystems bzw. eines Oktopol-Ionenleitsystems gemäß repräsentativen Ausführungsformen.
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3A zeigt die Äquipotenziallinien,
die durch ein Hexapol-Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform erzeugt werden.
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3B zeigt
eine Seitenansicht der Äquipotenziallinien, die durch ein
Gleichfeld in einem Hexapol-Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform erzeugt werden.
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4A zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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4B zeigt
eine perspektivische Ansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems
gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
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4C zeigt
eine Querschnittsansicht der Stäbe an einem Ende eines
mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer repräsentativen
Ausführungsform.
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5A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Hexapol-Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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5B zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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6A zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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6B zeigt
eine perspektivische Ansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems
gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
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7 zeigt
die Äquipotenziallinien, die durch ein 14-poliges Ionenleitsystem
gemäß einer repräsentativen Ausführungsform
erzeugt werden.
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8 zeigt
die Ionenstrahlen, die durch ein 14-poliges Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform gebildet werden.
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9 zeigt
Simulationen von Ionen, die durch das 14-polige Ionenleitsystem
gemäß einer repräsentativen Ausführungsform
geführt werden, und die Bildung einzelner Ionenstrahlen
zwischen den gegenüberliegenden Stäben gleicher
Polarität.
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10 zeigt
Aufspaltung eines am Eingang eines Hexapol-Ionenleitsystems eintretenden
Ionenstrahls in mehrere Ionenstrahlen am Ausgang des Hexapol-Ionenleitsystems
gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
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Die 11A und 11B zeigen
perspektivische Ansichten eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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12A zeigt eine perspektivische Ansicht der Aufspaltung
eines Ionenstrahls durch ein mehrpoliges Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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12B zeigt eine Simulation der Aufspaltung eines
Ionenstrahls durch das mehrpolige Ionenleitsystem gemäß der
repräsentativen Ausführungsform von 12A.
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13 zeigt
die Simulation der Aufspaltung eines Ionenstrahls gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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DEFINITION DER VERWENDETEN
BEGRIFFE
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Es
sollte klar sein, dass die hier gebrauchten Begriffe nur zur Beschreibung
bestimmter Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung
zu verstehen sind. Die definierten Begriffe dienen zur Ergänzung
der technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten
Begriffe, wie sie auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren üblich
und anerkannt sind.
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In
dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen
beinhalten die Einzahlformen ”ein”, ”eine” und ”der,
die, das” sowohl die Einzahl- als auch die Mehrzahlbedeutung,
sofern aus dem Zusammenhang nicht ausdrücklich anderes
hervorgeht. Somit beinhaltet der Begriff 'eine Einheit' sowohl eine
als auch mehrere Einheiten.
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Bei
dem hier gebrauchten Begriff 'mehrpoliges Ionenleitsystem' handelt
es sich um ein Ionenleitsystem, das als elektrisches Quadrupol-,
Hexapol-, Oktopol-, Dekapolfeld oder als elektrisches Feld mit noch
mehr Polen gestaltet werden kann, um Ionen in einem Ionenstrahl
zu lenken.
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In
dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen
bedeuten die Begriffe 'wesentlich' oder 'im Wesentlichen' zusätzlich
zu ihrer normalen Bedeutung ein vertretbares Ausmaß oder
einen vertretbaren Umfang. Zum Beispiel ist unter der Begriff 'im
Wesentlichen aufgehoben' zu verstehen, dass die Aufhebung nach dem
Verständnis des Fachmanns ein vertretbares Ausmaß erreicht
hat.
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In
dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen
hat der Begriff 'ungefähr' außer seiner normalen
Bedeutung für den Fachmann auch noch die Bedeutung ”innerhalb
eines vertretbaren Ausmaßes oder Umfangs”. Zum
Beispiel versteht der Fachmann unter 'ungefähr gleich',
dass zwei miteinander verglichene Objekte identisch sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Um
ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren
zu ermöglichen, werden in der folgenden detaillierten Beschreibung
repräsentative Ausführungsformen beschrieben,
die spezielle Details offenlegen, aber nur zur Erläuterung
dienen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind. Auf
die Beschreibung bekannter Systeme, Einrichtungen, Materialien,
Arbeitsverfahren und Herstellungsverfahren kann verzichtet werden,
um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
besser zu verdeutlichen. Ungeachtet dessen können gemäß den repräsentativen
Ausführungsformen Systeme, Einrichtungen, Materialien und
Verfahren verwendet werden, die dem Fachmann geläufig sind.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines MS-Systems 100 gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Das MS-System 100 weist
eine Ionenquelle 101, ein mehrpoliges Ionenleitsystem 102, eine
Kammer 103, einen Massenanalysator 104 und einen
Ionendetektor 105 auf. Bei der Ionenquelle 101 kann
es sich um eine von mehreren bekannten Typen von Ionenquellen handeln.
Bei dem Massenanalysator 104 kann es sich um einen aus
einer Vielzahl bekannter Massenanalysatoren handeln, darunter, aber nicht
darauf beschränkt, ein Laufzeitanalysator (TOF), ein Fouriertransformations-MS-Analysator (FTMS),
eine Ionenfalle, ein Quadrupol-Massenanalysator oder ein Magnetsektoranalysator.
Desgleichen kann es sich bei dem Ionendetektor 105 um einen
von mehreren bekannten Ionendetektoren handeln.
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Das
mehrpolige Ionenleitsystem 102 wird im Folgenden in Verbindung
mit repräsentativen Ausführungsformen ausführlicher
beschrieben. Das mehrpolige Ionenleitsystem 102 kann in
der Kammer 103 bereitgestellt werden, die so beschaffen
ist, dass sie zwischen der Ionenquelle 101 und dem Massenanalysator 104 einen
mehrstufigen Druckübergang ermöglicht. Da in der
Ionenquelle 101 normalerweise Atmosphärendruck
oder ein Druck nahe dem Atmosphärendruck und im Massenanalysator 104 normalerweise
ein relativ hohes Vakuum herrscht, kann das Ionenleitsystem 102 gemäß den
repräsentativen Ausführungsformen so gestaltet
sein, dass es einen Übergang von einem relativ hohen Druck
zu einem relativ niedrigen Druck ermöglicht. Bei der Ionenquelle 101 kann
es sich um eine aus einer Vielfalt bekannter Ionenquellen handeln,
die außerdem auch noch weitere Einrichtungen zur Ionenbeeinflussung
und Vakuumtrennwände beinhalten können, darunter, aber
nicht ausschließlich, Begrenzungsblenden, Multipole, Öffnungen,
Leitungen mit geringem Durchmesser und Ionenoptiken. Bei einer repräsentativen Ausführungsform
beinhaltet die Ionenquelle 101 ihr eigenes Massenfilter,
und die Kammer 103 kann eine Stoßkammer aufweisen.
Bei Massenspektrometersystemen, die eine Stoßkammer mit
dem mehrpoligen Ionenleitsystem 102 aufweisen, kann in
die Kammer 103 ein neutrales Gas eingeleitet werden, um
die Fragmentierung der durch das mehrpolige Ionenleitsystem laufenden
Ionen zu erleichtern. Solche Stoßzellen, die in vielen
Masse/Ladungs-Analysesystemen verwendet werden, sind in der Technik
unter der Bezeichnung ”Dreifach-Quadrupol-” oder
einfach ”QQQ”-Systeme bekannt.
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Bei
alternativen Ausführungsformen ist die Stoßzelle
in der Ionenquelle und das mehrpolige Ionenleitsystem 102 in
einer eigenen Kammer 103 untergebracht. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform sind die Stoßzelle und das mehrpolige
Ionenleitsystem 102 getrennt voneinander in derselben Vakuumkammer 103 untergebracht.
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Bei
der praktischen Verwendung werden die in der Ionenquelle 101 erzeugten
Ionen (deren Laufrichtung durch Pfeile gekennzeichnet ist) zum mehrpoligen
Ionenleitsystem 102 gelenkt. Im Folgenden wird das mehrpolige
Ionenleitsystem 102 näher beschrieben, das die
Ionen weiter befördert und einen relativ eng gebündelten
Strahl mit einem definierten Phasenraum bildet, der durch die Auswahl
verschiedener Leitparameter bestimmt ist. Der Ionenstrahl tritt
aus dem Ionenleitsystem aus und gelangt in den Massenanalysator 104,
wo die Ionentrennung erfolgt. Die Ionen durchlaufen den Massenanalysator 104 bis zum
Ionendetektor 105, wo die Ionen detektiert werden.
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2A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems 200 gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Bei der vorliegenden
Ausführungsform weist das mehrpolige Ionenleitsystem 200 sechs
Stäbe 201 auf und erzeugt somit ein sechspoliges
HF-Feld. Es wird darauf hingewiesen, dass die Auswahl eines Hexapol-Ionenleitsystems
lediglich zur Veranschaulichung dient und die vorliegenden Lehren
auch auf andere mehrpolige Ionenleitsysteme angewendet werden können.
Das mehrpolige Ionenleitsystem 200 weist Stäbe 201 in
einer konvergierenden Anordnung mit einem Eingang 202 und
am anderen Ende der Stäbe mit einem Ausgang auf. Bei einer
im Folgenden näher beschriebenen repräsentativen
Ausführungsform handelt es sich bei den Stäben 201 um
Stäbe, die um eine (in 2A nicht
gezeigte) Achse herum angeordnet sind. Jeder der Stäbe 201 weist
ein erstes Ende 203 und ein von diesem entferntes zweites Ende 204 auf,
und jeder der Stäbe 201 ist an seinem ersten Ende 203 weiter
von der Achse entfernt als am zweiten Ende 204. Demzufolge
laufen die Stäbe 201 vom Eingang 202 bis
zum Ausgang aufeinander zu. Bei einer repräsentativen Ausführungsform
sind die ersten Enden 203 der Stäbe so angeordnet,
dass ein einbeschriebener Kreis, der an den ersten Enden 203 der
Stäbe 201 am Eingang 202 anliegt, einen
größeren Radius aufweist als ein einbeschriebener
Kreis, der an den zweiten Enden 204 der Stäbe 201 am Ausgang
anliegt. Bei anderen im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen
laufen die Stäbe 201 ebenfalls aufeinander zu,
sind jedoch weder am Eingang 202 noch am Ausgang symmetrisch
zueinander angeordnet.
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Bei
einer repräsentativen Ausführungsform weisen die
Stäbe
201 einen isolierenden Werkstoff auf, bei
dem es sich um Keramik oder ein anderes geeignetes Material handeln
kann. Die Stäbe
201 weisen auch eine (nicht gezeigte) äußere
Widerstandsschicht auf. Die Widerstandsschicht ermöglicht
das Anlegen einer Gleichspannungsdifferenz zwischen den entsprechenden
ersten Enden
203 und den entsprechenden zweiten Enden
204 der
Stäbe
201. Bei einer anderen Ausführungsform
können die Stäbe
201 beschaffen sein,
wie in der an denselben Anmelder abgetretenen
US-Patentschrift 7 064 322 von Crawford
et al. mit dem Titel ”Mass Spectrometer Multipole Device” beschrieben
wird, deren Beschreibung hier ausdrücklich durch Bezugnahme
in vollem Umfang aufgenommen ist. In diesem Fall können
die Stäbe
201 eine innere Leitungsschicht und
eine äußere Widerstandsschicht aufweisen, wodurch
jeder Stab
201 zu einem verteilten Kondensator wird, der die
HF-Spannung zur Widerstandsschicht des Stabes führt. Die
innere Leitungsschicht führt die HF-Spannung durch eine
(nicht gezeigte) dünne Isolatorschicht zur Widerstandsschicht.
Eine solche Gestaltung wird in der durch Bezugnahme aufgenommenen
Patentschrift von Crawford et al. beschrieben und dient gemäß der
folgenden ausführlichen Beschreibung zur Verringerung der
schädlichen Erwärmung der Stäbe
201,
die durch die induzierten Ströme der HF-Felder verursacht
wird.
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Die
Ringe 205 dienen dazu, die Stäbe 201 an Ort
und Stelle zu halten und elektrische Kontakte 206, 207 von
einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle zu den Stäben 201 herzustellen.
Die Spannungsquelle ist so beschaffen, dass sie zwischen benachbarten
Stäben 201 eine Wechselspannung und an jeden einzelnen
Stab 201 eine Gleichspannung anlegt. Die HF-Spannung und
die Gleichspannung können entweder gemeinsam über
ein und denselben elektrischen Kontakt (z. B. über die
Kontakte 206, 207) an die Stäbe 201 oder
jeweils einzeln über getrennte Kontakte an die einzelnen
Stäbe angelegt werden. Zu beachten ist, dass die an die
ersten Enden 203 der Stäbe 201 angelegte
Gleichspannung von der an die zweiten Enden 204 der Stäbe 201 angelegten Gleichspannung
verschieden ist, um einen Gleichfeld- und Potenzialabfall von einem
zum anderen Ende der Stäbe 201 zu erzeugen. Bei
repräsentativen Ausführungsformen wird die Gleichspannungsdifferenz
so gewählt, dass alle durch das mehrpolige elektrische
Feld erzeugten elektrischen Potenzialbarrieren aufgehoben werden
und die Abbremsung der Ionen durch die Stöße mit
einem (nicht gezeigten) Puffergas im Ionenleitsystem 200 überwunden
wird, sodass die Ionen vom Eingang 202 zum Ausgang des
Ionenleitsystems 200 beschleunigt werden.
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Gemäß repräsentativen
Ausführungsformen handelt es sich bei der Wechselspannung
um eine HF-Spannung, die zwischen benachbarten Stabpaaren angelegt
wird und ein mehrpoliges (bei der vorliegenden Ausführungsform
ein sechspoliges) Feld in einem Bereich zwischen den Stäben 201 erzeugt. Gemäß der
folgenden Beschreibung kann sich die Amplitude der HF-Spannung über
die Länge der jeweiligen Stäbe 201 oder
Stabsegmente hinweg ändern, um bestimmte gewünschte
Ergebnisse zu erzielen. Alternativ wird die Amplitude zwischen allen Stäben 201 über
ihre jeweilige Länge hinweg ungefähr konstant
gehalten. Bei einer repräsentativen Ausführungsform
weist die HF-Spannung üblicherweise eine Frequenz (ω)
im Bereich von ungefähr 1,0 MHz bis ungefähr 10,0
MHz auf. Die Frequenz stellt einen von mehreren Ionenleitparametern
dar, die zur Erzielung einer starken Ionenstrahlbündelung
und eines großen Massenbereichs der Analyte dienen. Zusätzlich
wird an jeden der Stäbe 201 eine Gleichspannung
angelegt, die zwischen dem ersten Ende 203 und dem zweiten
Ende 204 jedes der Stäbe 201 eine elektrische
Potenzialdifferenz erzeugt. Im Folgenden wird näher beschrieben,
dass die Potenzialdifferenz dazu dient, eine durch das mehrpolige
Feld erzeugte Potenzialbarriere aufzuheben und die Ionen vom Eingang 202 zum
Ausgang zu beschleunigen. Außerdem können die
Ionen infolge der Potenzialdifferenz den vom Puffergas herrührenden
Widerstand im Ionenleitsystem 200 überwinden.
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Die
Stäbe 201 weisen eine aus einer Vielfalt von Formen
auf. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Stäbe 201 im
Wesentlichen zylindrisch und weisen über ihre jeweilige
Länge einen im Wesentlichen gleich bleibenden Durchmesser
auf. Bei anderen repräsentativen Ausführungsformen
ist der Durchmesser der Stäbe 201 an ihren jeweiligen
ersten Enden 203 größer als an ihren
jeweiligen zweiten Enden 204. Bei noch anderen Ausführungsformen verjüngen
sich die Stäbe 201 über ihre Länge
hinweg, wobei auch hier der Durchmesser an den entsprechenden ersten
Enden 203 größer ist als an den entsprechenden
zweiten Enden. Das Ausmaß der Verjüngung kann
gewählt werden, und die Stäbe 201 können
eine konische Form aufweisen. Im Folgenden wird näher beschrieben,
dass bei Ausführungsformen mit Stäben 201 unterschiedlichen
Durchmessers am ersten bzw. zweiten Ende 203, 204 der Durchmesser
der Stäbe 201 an den jeweiligen ersten Enden 203 relativ
groß gewählt wird, um die Ionenakzeptanz durch
eine bessere Feldstruktur zu verbessern, und an den jeweiligen zweiten
Enden 204 relativ klein gewählt wird, um die Ionenbündelung
zu verbessern.
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2B zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. 2B zeigt
nur zwei Stäbe, damit bestimmte Merkmale des mehrpoligen
Ionenleitsystems besser verdeutlicht werden können. Zahlreiche
Aspekte des mehrpoligen Ionenleitsystems 200 gelten auch
für das hier beschriebene mehrpolige Ionenleitsystem. Gemeinsame
Details werden im Allgemeinen nicht wiederholt, um die hier beschriebenen
Ausführungsformen besser zu verdeutlichen.
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Zu
beachten ist, dass das mehrpolige Ionenleitsystem einen durch die
ersten Enden 203 der Stäbe 201 gebildeten
Eingang 202 und einen durch die zweiten Enden der Stäbe 201 gebildeten
Ausgang 208 aufweist. Über die Länge
des mehrpoligen Ionenleitsystems hinweg verläuft eine Achse 209,
die bei der vorliegenden Ausführungsform eine Symmetrieachse
derart darstellt, dass die ersten Enden 203 der Stäbe 201 so
angeordnet sind, dass der Durchmesser eines einbeschriebenen Kreises,
der an den ersten Enden 203 der Stäbe 201 am
Eingang 202 anliegt, größer ist als der
Radius eines einbeschriebenen Kreises, der an den zweiten Enden 204 der
Stäbe 201 am Ausgang 208 anliegt. Weiterhin
bildet die Achse 209 den Mittelpunkt der entsprechenden
einbeschriebenen Kreise am ersten bzw. zweiten Ende 203, 204 der
Stäbe 201. Die geometrischen Parameter des Ionenleitsystems
wie die Systemlänge, der Winkel zwischen den Stäben 201 und
der Achse 209, der Abstand zwischen den Stäben 201 und
die Abmessungen des Eingangs 202 und des Ausgangs 208 beeinflussen
die Kenndaten des mehrpoligen Ionenleitsystems. Zum Beispiel erfordert
eine Ionenprobe mit einer breiteren Energieverteilung oder einer
breiteren radialen Verteilung oder beidem eine größere
Querschnittsfläche am Eingang 202 als eine Ionenprobe
mit einer schmaleren räumlichen und Energieverteilung,
damit ein größerer Anteil der Ionen eingefangen
wird. Ferner müssen bei Ionen mit einer höheren
axialen Energie das mehrpolige Ionenleitsystem vergleichsweise länger
und somit die Stäbe 201 lang genug sein, damit
die Ionen vor dem Verlassen des mehrpoligen Ionenleitsystems am
Ausgang 208 ausreichend abgekühlt sind.
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Im
Allgemeinen sollte die Länge des konvergierenden Teils
des mehrpoligen Ionenleitsystems und somit der Stäbe 201 so
gewählt werden, dass die Ionen ein thermisches Gleichgewicht
mit dem umgebenden Puffergas erreichen können. Je länger
die Stäbe jedoch sind, desto schwieriger lassen sich die Stäbe
auf Grund ihrer höheren Kapazität elektrisch ansteuern.
Ein schnellerer Wärmeentzug kann zwar durch eine Erhöhung
des Puffergasdrucks erreicht werden, jedoch dürfte eine
Erhöhung des Gasdrucks nicht immer von Vorteil sein, weil
dadurch der Enddruck im Massenanalysator ansteigen kann. Alternativ
kann die Verweildauer der Ionen in einem Ionenleitsystem durch Änderung
der an den Stäben anliegenden Gleichspannung angepasst
werden. Allerdings können relativ niedrige Gleichspannungen
zu Ionenverlusten und zur Diffusionsverbreiterung der Ionenpakete
führen. Deshalb wird ein Kompromiss zwischen der Länge
des konvergierenden Abschnitts des mehrpoligen Ionenleitsystems
und der Höhe der angelegten Gleichspannung eingegangen.
Bei repräsentativen Ausführungsformen beträgt
die Länge des konvergierenden Abschnitts zwischen ungefähr
1 cm und ungefähr 10 cm und bei bestimmten Ausführungsformen
zwischen ungefähr 3 cm und ungefähr 5 cm. Dabei
ist zu beachten, dass die Länge des mehrpoligen Ionenleitsystems
und der Konvergenzwinkel vom Eingang 202 bis zum Ausgang 208 lediglich
zwei Parameter des Ionenleitsystems darstellen. Im Folgenden werden
weitere Parameter beschrieben, die zum Optimieren der Kenndaten
der Ionenlenkung in den mehrpoligen Ionenleitsystemen gemäß repräsentativen
Ausführungsformen gewählt werden.
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Die 2C, 2D und 2E zeigen
perspektivische Ansichten eines Quadrupol-Ionenleitsystems, eines
Hexapol-Ionenleitsystems bzw. eines Oktopol-Ionenleitsystems gemäß repräsentativen Ausführungsformen.
Zahlreiche Aspekte der oben beschriebenen mehrpoligen Ionenleitsysteme 200 treffen
auch auf das hier beschriebene mehrpolige Ionenleitsystem zu. Gemeinsame
Details werden im Allgemeinen nicht wiederholt, um die hier beschriebenen
Ausführungsformen besser zu verdeutlichen.
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2C zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Quadrupol-Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform, die den Blick
vom Eingang 202 durch das Ionenleitsystem zum Ausgang 208 zeigt.
Hier sind die einbeschriebenen Kreise 210, 211 dargestellt.
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2D zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Hexapol-Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform, die den Blick
vom Eingang 202 durch das Ionenleitsystem zum Ausgang 208 zeigt.
Hier ist ein an den ersten Enden 203 der Stäbe 201 einbeschriebener
Kreis 210 dargestellt. Ebenso ist der Durchmesser (2ro) des Kreises 210 am ersten Ende 203 dargestellt.
An den zweiten Enden 204 der Stäbe 201 ist
ein zweiter Kreis 211 einbeschrieben. Der Kreis 211 weist
ebenfalls einen Durchmesser auf (der auch mit 2ro bezeichnet
wird). Im weiteren Verlauf der vorliegenden Beschreibung wird deutlicher,
dass die Durchmesser der einbeschriebenen Kreise 210, 211 zur
Einstellung bestimmter Kenndaten des Ionenleitsystems verwendet werden.
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2E zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Oktopol-Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform, die den Blick
vom Eingang 202 durch das Ionenleitsystem zum Ausgang 208 zeigt.
Hier sind die einbeschriebenen Kreise 210, 211 dargestellt.
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Die
Anzahl der Pole beeinflusst die Form des Pseudo-Potenzialtopfes,
welcher die Ionen in einem mehrpoligen Ionenleitsystem bündelt.
Durch eine geeignete Wahl der Ionenleitgeometrie kann entweder die
Ionenienkungsakzeptanz erhöht oder die Fokussierung der
Ionen verbessert werden. Die Auswahl der Abmessungen des Ionenleitsystems
und der Stäbe ist besonders am Eingang 202 und
am Ausgang 209 von Bedeutung. Am Eingang 202 bestimmen
der Abstand zwischen benachbarten Stäben 201 und
der Durchmesser der ersten Enden 203 der Stäbe 201 die
Größe und somit den Durchmesser 2ro des
Kreises 210. Ein größerer einbeschriebener
Kreis 210 bewirkt eine größere Akzeptanzfläche
am Eingang, wodurch das Einfangen von Ionen mit höherer
Energie oder breiterer räumlicher Verteilung begünstigt wird,
die im mehrpoligen Ionenleitsystem gebündelt werden sollen.
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Der
Abstand zwischen benachbarten Stäben am Eingang 202 beeinflusst
jedoch das Einschleusen der Ionen in das Ionenleitsystem. Wenn der
Abstand zwischen benachbarten Stäben 201 an den
jeweiligen ersten Enden 203 im Vergleich mit deren Durchmesser
zu groß ist, können Ionen in den Zwischenraum
zwischen benachbarten Stäben 201 austreten. Da
sowohl ein einbeschriebener Kreis 210 gewünscht
ist als auch die Abstände zwischen den Stäben 201 möglichst
klein sein sollen, gehen die vorliegenden Lehren davon aus, dass
der Durchmesser der Stäbe an ihren jeweiligen ersten Enden 203 größer
ist als an ihren zweiten Enden 204. Somit können für
einen gewünschten Durchmesser des Kreises 210 die
Abstände zwischen benachbarten Stäben relativ
verringert werden, indem der Durchmesser der Stäbe 201 an
ihren jeweiligen ersten Enden relativ groß gewählt
wird. Die vorliegenden Lehren gehen davon aus, dass sich die Stäbe 201 über
ihre Länge hinweg verjüngen und eine in Längsrichtung
konische Form aufweisen oder dass sich der Radius an einem über
die Länge hinweg ausgewählten Punkt sprunghaft ändert.
In der folgenden Beschreibung ist zu beachten, dass Stäbe 201 mit
einem über die ganze Länge hinweg im Wesentlichen
konstanten Durchmesser besonders dann von Vorteil sind, wenn das mehrpolige
Ionenleitsystem 200 mit einer ausreichend hohen HF-Frequenz
und -Spannung betrieben wird, um an beiden Enden einen Ionendurchsatz
mit hoher Massenbandbreite zu gewährleisten.
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Am
Ausgang
209 wird das Ausmaß der Ionenfokussierung
durch die Abstände zwischen den zweiten Enden
204 der
Stäbe
201 bestimmt. Zwar ist die Verkleinerung
des Durchmessers des einbeschriebenen Kreises
211 am Ausgang
zur Verringerung der Ionenverluste von Vorteil, aber mit dem Durchmesser
des Kreises
211 wird die kleinste Masse festgelegt, die
durch das Ionenleitsystem noch gebündelt werden kann. Insbesondere
steigt die HF-Felddichte mit kleiner werdendem Durchmesser des Kreises
211 relativ
stark an, und nur Ionen mit einer kleineren Mindestmasse werden
instabil. Es lässt sich zeigen, dass die Mindestmasse m
cutoff quantitativ ausgedrückt werden
kann durch:
wobei V gleich der Amplitude
des HF-Signals am Ausgang und ω gleich der HF-Frequenz
ist. Es sollte klar sein, dass bei einer bestimmten HF-Amplitude die
Mindestmasse um so größer ist, je kleiner der
Radius des einbeschriebenen Kreises
211 ist. Somit sind
Ionen mit einer Masse kleiner als die Mindestmasse instabil und
werden folglich nicht ausreichend gebündelt. Da die Ionen
am Ausgang zu einem stärker fokussierten Strahl gebündelt
werden sollen, werden der Neigungswinkel der Stäbe
201 am
Ausgang
209 und die Mindestmasse aufeinander abgestimmt. Durch
die Verwendung von Stäben
201, deren zweite Enden
204 einen
geringeren Radius als die ersten Enden
203 aufweisen, können
somit einige der nachteiligen Effekte einer relativ hohen HF-Felddichte
verringert werden. Letztlich lässt sich ein optimales Verhältnis
zwischen dem Radius der Stäbe an deren jeweiligen zweiten
Enden
204 und dem Radius des einbeschriebenen Kreises
211 finden,
bei dem Ionen mit einem relativ großen Massenbereich zu
einem relativ gut gebündelten Strahl zusammengeführt
werden.
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Bei
bestimmten Anwendungen können Zeitabschnitte, während
derer Ionen mit relativer großer Masse beziehungsweise
mit relativ kleiner Masse durch das mehrpolige Ionenleitsystem 200 geleitet werden,
zeitweise voneinander abgegrenzt werden. Instrumente, die einen
ganzen Massenbereich abtasten, darunter, aber nicht ausschließlich,
Quadrupolmassenfilter, können in jedem Augenblick nur Ionen in
einem kleinen Massenbereich analysieren. Deshalb wird gemäß repräsentativen
Ausführungsformen eine dynamische Steuerung der Mehrpolparameter,
zum Beispiel eine HF-Spannung, bereitgestellt, um einen möglichst
vollständigen Durchsatz bestimmter das mehrpolige Ionenleitsystem 200 durchlaufender
Ionen zu erreichen. Zum Beispiel eignet sich eine relativ niedrige
HF-Spannung (z. B. ungefähr 50 V bis ungefähr
150 V Spitzenspannung) zur Bündelung der Ionen mit kleiner
Masse, während sich eine relativ hohe HF-Spannung (z. B.
ungefähr 150 V bis ungefähr 400 V Spitzenspannung)
zum Einfangen von Ionen mit relativ großer Masse eignet, deren
Flugbahnen am schmalen Ende des mehrpoligen Ionenleitsystems nicht
instabil werden.
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3A zeigt die Äquipotenziallinien 301,
die durch ein Hexapol-Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform erzeugt werden. 3A zeigt die Äquipotenziallinien 301 mit
Blickrichtung vom Eingang 202. Die Bezugsnummern 302 bezeichnen
die Lage der ersten Enden 203 der Stäbe 201.
Innerhalb des Bereichs 303 werden die (nicht gezeigten)
Ionen gebündelt.
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3B zeigt
die Äquipotenziallinien 304 der Gleichspannungskomponente
des durch ein Hexapol-Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform erzeugten elektrischen
Feldes. Die Figur zeigt, dass die elektrischen Feldlinien 304 über den
größten Teil der Bündelungsfläche 303 im
Wesentlichen 'eben' sind und senkrecht zur Achse 209 verlaufen.
Gemäß der obigen Erörterung können mehrpolige
Ionenleitsysteme Pseudopotenzialbarrieren aufbauen, welche die Ionen
im Bündelungsbereich abbremsen und so den Nutzen des Ionenleitsystems
verringern können. Durch Anlegen einer Gleichspannung entlang
jedes der Stäbe 201 wird diese Potenzialbarriere
aufgehoben. Die geringe Krümmung der Gleichfeld-Äquipotenziallinien
am Eingang (z. B. an dem in 3A nicht
gezeigten Eingang 202) ist ohne Bedeutung, da sie durch
das relative Potenzial zum Beispiel eines (nicht gezeigten) ionenoptischen
Bauteils korrigiert werden kann, das in Reihe vor dem Eingang des
mehrpoligen Ionenleitsystems angeordnet ist. 3B zeigt
jedoch nicht, dass die auf den Stäben 201 abgeschiedene
Widerstandsschicht oft nicht über die gesamte Länge
der Stäbe 201 reicht, um an ihnen Leitungen oder
Ringe zum Anlegen der HF- oder Gleichspannung anbringen zu können.
Eine solche Verkürzung der Metallschicht am Ende erzeugt
zwar einen kurzen Abschnitt mit konstantem Gleichspannungspotenzial, jedoch
können die Ionen in der Nähe dieser Abschnitte
mit konstanter Gleichspannung ebenfalls durch das relative Potenzial
der in Reihe angeordneten ionenoptischen Bauteile korrigiert werden,
da die kurzen Abschnitte mit konstantem Potenzial an den ersten
Enden 203 und an den zweiten Enden 204 liegen. Es
erweist sich bei der repräsentativen Ausführungsform
als Vorteil, dass die Ionen unter dem Einfluss im Wesentlichen konstanter
axialer Gleichspannungsfelder und somit unabhängig von
ihrem Aufenthaltsort innerhalb des mehrpoligen Ionenleitsystems 200 unter
dem Einfluss einer im Wesentlichen konstanten axialen Kraft stehen.
Dies ist bei bekannten mehrpoligen Einheiten nicht der Fall, bei
denen zum Erzeugen einer axialen Kraft das Feld zwischen die Stäbe hindurchgreifen
muss. In Abhängigkeit vom Abstand des Ions von der Mittellage
und je nachdem, ob sich das Ion näher an einem Stab oder
einem Zwischenraum zwischen den Stäben befindet, weisen
diese Einheiten unterschiedlich starke Gleichspannungsfelder auf.
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4A zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Das mehrpolige
Ionenleitsystem weist Stäbe 201 und eine Achse 209 gemäß der vorhergehenden
Beschreibung auf. Die Anzahl der Pole des Ionenleitsystems der hier
beschriebenen Ausführungsform ist nicht näher
festgelegt, da es sich bei den hier beschriebenen Ausführungsformen um
Quadrupol-Ionenleitsysteme oder um mehrpolige Ionenleitsysteme höherer
Ordnung handelt. Gemäß der obigen Beschreibung
herrschen bei Massenspektrometriesystemen der repräsentativen
Ausführungsformen in verschiedenen Komponenten oft unterschiedliche
Drücke. Zum Beispiel ist der Druck in der Kammer 401 relativ
hoch, da hier das Puffergas eingeleitet wird, um den Ionen auf ihrem
Weg durch das Ionenleitsystem Wärme zu entziehen. Nach
dem Wärmeentzug gelangen die Ionen jedoch vom Ausgang 208 in
einen (in 4A nicht gezeigten) Massenanalysator,
in dem ein relativ hohes Vakuum herrscht. Bei der vorliegenden Ausführungsform herrscht
im Bereich 402 ein niedrigerer Druck als in der Kammer 401,
und in einer Wand der Kammer 401 befindet sich eine Öffnung 402.
Die Stäbe 201 ragen durch die Öffnung 403,
sodass der Ausgang 208 im Bereich 402 liegt.
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Um
das Einströmen des Puffergases von der Kammer 401 in
den Bereich 402 auf ein Mindestmaß zu beschränken,
ist die Öffnung 403 relativ klein gestaltet. Der
Ionenstrahl wird im Ionenleitsystem gebündelt, durch das
Puffergas wird ihm Wärme entzogen, und dann wird er durch
die kleine Öffnung 403 in den Bereich 402 überführt,
der zum Zweck der Massenfilterung auf einen relativ niedrigen Druck
ausgepumpt ist. Je kleiner allerdings die Öffnung 402 ist, desto
kleiner muss auch der Durchmesser des Ausgangs 208 sein.
Je stärker der Radius ro bei einer konstanten
HF-Spannung (V) und deren Frequenz (ω) verringert wird,
desto größer ist Mindestmasse (mcutoff).
Insofern ist es wünschenswert, am Eingang 202 eine
höhere HF-Spannung anzulegen, um ein ordnungsgemäßes
Einfangen der Ionen von einer Ionenquelle zu gewährleisten,
und am Ausgang 208 eine niedrigere HF-Spannung. Bei einer
repräsentativen Ausführungsform bewirkt die Widerstandsschicht
der einzelnen Stäbe über ihre Länge hinweg einen
ohmschen Spannungsabfall der HF-Spannung entlang der Stäbe 201 zwischen
deren jeweiligen ersten Enden 203 und deren jeweiligen
zweiten Enden 204. Dadurch ist die HF-Spannung am Ausgang 208 niedriger
als die HF-Spannung am Eingang 202.
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Die
Verringerung der HF-Spannung entlang der Stäbe eines konvergierenden
Mehrpols mit einem durch eine Widerstandsschicht auf den Stäben erzeugten
axialen Feld eignet sich zwar zur Änderung der HF- und
der Gleichspannung, jedoch führt die Joulesche Erwärmung
zu thermischen Problemen. Selbst wenn der HF-Spannungsabfall zwischen dem
Eingang und dem Ausgang des mehrpoligen Ionenleitsystems nicht absichtlich
herbeigeführt wird, kann es infolge induzierter HF- und
Gleichströme zu einer merklichen Erwärmung kommen.
Wenn die HF- und die Gleichspannung zum Beispiel an den Enden 203, 204 der
Stäbe 201 angelegt wird, gibt es natürlich
in Abhängigkeit von der gewünschten HF- und Gleichspannung
und der Kapazität der Stäbe gegenüber
ihren Nachbarn und der übrigen Umgebung einen optimalen
Widerstandswert der Stäbe, für den die gesamte
Wärmemenge einen Mindestwert erreicht. Durch die Erhöhung
des Widerstands der Stäbe verringern sich die Gleichstromverluste,
während die HF-Verluste zunehmen, was sich in einer stärkeren
Wärmeentwicklung äußert. Bei einer kleinen
Hexapol-Ausführungsform beträgt der optimale Widerstandswert
beispielsweise ungefähr 900 Ohm pro Stab.
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Die
gemeinsam durch den Gleichstrom und die Hochfrequenz in der Widerstandsschicht
des Stabes 201 erzeugte Wärme lässt sich
nur schwer von den Stäben ableiten, da diese sich im Vakuum
befinden und somit die Wärmeleitung äußerst
gering ist. Dadurch kann es zusätzlich zu der mittleren
kinetischen Energie des Puffergases und der Ionen zu einer erhöhten
Temperatur innerhalb des mehrpoligen Ionenleitsystems kommen. So
kann sich die Aufgabe, die Ionen zu 'kühlen' umso mehr
als Herausforderung erweisen. Diese Temperatur kann zu Materialversagen
oder geschmolzenen Lötstellen führen.
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Eine
Möglichkeit zum Abführen der erzeugten Wärme
besteht in der Bereitstellung von wärmeleitenden Bahnen
von den Stäben 201 in die Kammern des Massenspektrometriesystems.
Bei der Auswahl der Werkstoffe und Bauteile zur Wärmeableitung
ist jedoch darauf zu achten, dass zwischen den Stäben oder
zwischen Stab und Masse keine übermäßig
große elektrische Kapazität geschaffen wird. Eine
zusätzliche Kapazität kann zu einer Begrenzung
der Höhe der möglichen Hochfrequenz oder zur zusätzlichen
Beanspruchung der Versorgungselektronik führen.
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Zusätzlich
zur Beseitigung schädlicher thermischer Effekte (sowohl
der Ionentemperatur als auch der Temperatur des Systems) sehen die
vorliegenden Lehren bestimmte Ausführungsformen vor, mit
denen die erzeugte Wärme verringert werden kann. Bei einer
repräsentativen Ausführungsform kann zwischen
den in 2A gezeigten Ringen 205 ein
weiterer Ring 205 bereitgestellt werden. An diesen zusätzlichen
Ring wird eine mittlere Gleichspannung und dieselbe HF-Spannung
wie an die anderen Ringe 205 angelegt. Während
die Gleichstromverluste unverändert bleiben, nehmen die
HF-Verluste ungefähr um den Faktor vier ab, da nun jeder
Stab elektrisch im Grunde aus zwei kürzeren Stäben
besteht. Für jeden kürzeren Stab ist der Widerstand
halb so groß wie für den gesamten Stab. Die Kapazität
und damit der Strom sind halb so groß, und die in jedem 'kurzen'
Stab freigesetzte Leistung geht auf ein Achtel der ursprünglichen
Leistung zurück. Da auf jeden ganzen Stab die gesamten
Verluste der beiden 'kurzen' Stäbe entfallen, geht die
gesamte HF-Leistung um den Faktor 4 zurück. Beim Einfügen
eines dritten Halterungsrings muss daher auf der Grundlage der neuen
HF-Verluste ein geringfügig höherer optimaler Widerstandswert
für den Stab gewählt werden. Ein Nachteil durch
das Einfügen des dritten Halterungsrings besteht darin,
dass die Kapazität zwischen den Stäben und zwischen
Stab und Masse zunimmt. Dadurch wird das Betreiben des Systems bei
einem hohen Frequenzwert schwieriger.
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Gemäß einer
anderen repräsentativen Ausführungsform, die in 4B in
einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist, wird die HF-Energie
an einem Punkt entlang jedes Stabes 201 zugeführt, ohne
allzu viel Streukapazität hinzuzufügen. Anstatt in
den Bereich zwischen den Ringen 205 einen ganzen Halterungsring
einzufügen, wird ein relativ kleiner Kondensator 405 eingefügt,
um die HF-Energie von einem der Enden 203, 204 jedes
Stabes 201 in die Mitte der Stäbe 201 über
Kontakte/Kabel 406 einzukoppeln, die mit entsprechenden
(nicht gezeigten) Wechselspannungs- und Gleichspannungsquellen verbunden
sind. Die Kapazität des Kondensators 405 braucht
nicht groß zu sein, um den größten Teil
der Verringerung der HF-Verluste auf ungefähr ein Viertel zu
erreichen. Zum Beispiel ist die Verwendung eines Kapazitätswertes
denkbar, der ungefähr 100-mal so groß wie die
Kapazität zwischen benachbarten Stäben 201 oder
größer ist. Da die Einkopplung kapazitiv erfolgt,
braucht keine zusätzliche Gleichspannung erzeugt zu werden,
und der Kondensator muss nur auf den Gleichspannungs- oder den HF-Spannungsabfall
abgestimmt werden, je nachdem, welcher größer ist.
Ebenso wie beim Einfügen eines mittleren Halterungsrings
müsste auch hier ein neuer (höherer) optimaler
Widerstandswert für den Stab gewählt werden, um
eine möglichst geringe Gesamtverlustleistung zu erreichen.
Es sollte klar sein, dass sich ein optimaler Punkt zum Anlegen der
HF-Spannung vom Koppelkondensator nicht in der Mitte, sondern näher am
Ausgang 208 befindet, da dort die Kapazität zwischen
den Stäben größer als am Ausgang 208 ist.
Zu beachten ist, dass mehr als nur ein HF-Anschluss eingefügt
werden kann, wobei für jeden Anschluss ein Kondensator
erforderlich ist, um den Gleichspannungsgradienten nicht kurzschlussbedingt
zu unterbrechen.
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Bei
einer anderen repräsentativen Ausführungsform
weisen die Stäbe 201 einen verteilten Kondensator
zum Anlegen der HF-Spannung in die Widerstandsoberfläche
der Stäbe auf. Von einem Metallkern im Innern gelangt die
HF durch eine dünne Isolatorschicht zur Widerstandsschicht.
Diese Technik der koaxialen kapazitiven Einkopplung in einen Multipol
wird in der hier einbezogenen Veröffentlichung von Crawford
et al. beschrieben. Bei nicht konvergierenden mehrpoligen Ionenleitsystemen
ist die Abschwächung der HF-Spannung für die Aufrechterhaltung
der maximalen Massenbandbreite von Bedeutung. Bei konvergierenden
mehrpoligen Ionenleitsystemen gemäß den repräsentativen
Ausführungsformen wird die Massenbandbreite (unter der
Voraussetzung, dass sowohl am ersten als auch am zweiten Ende 203, 204 dieselbe
HF-Spannung (V) anliegt) im Allgemeinen nicht durch den HF-Spannungsabfall
im mittleren Längsteil der Stäbe 201, sondern
vielmehr durch die verschiedenen Bandpassmitten am Eingang 202 und
am Ausgang 208 bestimmt. Wenn der Widerstandswert über
die Länge hinweg im Wesentlichen konstant bleibt, werden
die HF-Spannungsverluste durch die koaxiale Einkopplung deutlich
verringert. Dies legt einen neuen optimierten Widerstandswert nahe,
um die Gesamtverlustleistung weiter zu verringern. Die starke Verringerung
der HF-Spannungsverluste ermöglicht nun die Verwendung
von sehr hohen Widerstandswerten für die Widerstandsschicht.
Je nach dem Verhältnis der Dicke der Widerstandsschicht
zum Durchmesser und zur Länge der Stäbe sind beispielsweise
Widerstandswerte von 10 kOhm, 100 kOhm, 1 MOhm oder mehr denkbar.
Die Gleichspannungsverluste würden dann um Größenordnungen
verringert werden. Dies ist insofern von Vorteil, als die thermischen
Probleme des konvergierenden Mehrpols abgemildert werden, wodurch
die Zuverlässigkeit zunimmt und die Zunahme der thermischen
Energie der Ionen im Wesentlichen umgangen wird.
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Bei
einer repräsentativen Ausführungsform können
die Stäbe 201 aus Metall bestehen und mit einer
konzentrischen Isolatorschicht sowie einer konzentrischen Widerstandsschicht überzogen
sein. Die Isolatorschicht kann durch Eloxieren des Metalls erzeugt
werden. Als Metalle, die eloxiert werden können, kommen
unter anderem Aluminium und Tantal infrage. Im Fall von Tantal bewirkt
eine Eloxierungsschichtdicke zwischen 500 Ångström
und 2000 Ångström die erforderliche Gleichspannungs-Durchschlagfestigkeit.
Obwohl ein Ende (jedoch nicht beide Enden) der Widerstandsschicht
am inneren Metallstab anliegen kann, ist es nicht erforderlich,
eine der Elektroden an den Enden 203, 204 mit
dem unter der eloxierten Schicht liegenden Metall zu verbinden. Vielmehr
kann eine rein kapazitive Einkopplung in den Metallkern und aus
diesem heraus realisiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass
andere Verfahren zum Erzeugen einer Isolierschicht denkbar sind,
darunter durch Anstreichen oder Tauchbeschichten mit einem organischen
oder anorganischen Isolator sowie durch verschiedene Dampfabscheidungs-
und Sputterverfahren. Die Auswahl einer Kombination von Metall und
Isolator aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt wie beispielsweise
Tantal und Tantaloxid ist insofern von Vorteil, als bei nachfolgenden
Verfahrensschritten zum Aufbringen einer Widerstandsschicht und
von Elektroden Hochtemperaturprozesse Anwendung finden können,
die zum Teil Temperaturen von ungefähr 800°C bis
1500°C erfordern. Solche Temperaturen können die
höchstzulässigen Temperaturen von Materialien
wie Aluminium oder organischen Isolatoren übersteigen.
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Bei
bestimmten repräsentativen Ausführungsformen wird
zwischen dem Eingang 202 und dem Ausgang 203 der
Stäbe 201, die jeweils einzelne Segmente aufweisen,
eine HF-Spannung mit abnehmender Amplitude angelegt. An jedes Segment der
Stäbe wird ein anderer HF-Spannungswert angelegt, der von
den Ausgängen eines oder mehrerer Transformatoren oder
von Kapazitätsteilern abgegriffen wird. Eine größere
Anzahl von Segmenten kann jedoch zu vermehrten Ionenverlusten, größerer
mechanischer Komplexität und höherer elektrischer
Kapazität führen, die versorgt werden muss. Bei
einer repräsentativen Ausführungsform wird die
HF-Spannungsamplitude über die Stablänge hinweg
durch die Auswahl eines zwischen dem Metallkern und der Widerstandsschicht
gemessenen Kapazitätswertes pro Längeneinheit
(des Stabes) verringert, der in derselben Größenordnung
wie die Kapazität pro Längeneinheit zwischen den
Stäben liegt. Die beiden Kapazitätswerte dienen
dann als Kapazitätsteiler. Der Vorteil bei dieser Ausführungsform
besteht darin, dass die HF-Spannung an den ersten Enden 203 der
Stäbe 201 nicht genauso hoch wie die HF-Spannung
an den zweiten Enden 204 der Stäbe 201 zu
sein braucht. Gemäß der obigen Beschreibung weisen
die konvergierenden Mehrpole der repräsentativen Ausführungsformen
im Allgemeinen den Vorteil auf, dass die am Eingang 202 angelegte
HF-Spannung höher als am Ausgang 208 ist.
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Die
natürlicherweise zunehmende Kapazität zwischen
den Stäben 201 der konvergierenden mehrpoligen
Ionenleitsysteme bildet einen verteilten Kapazitätsverteiler.
Wenn der Stab 201 zum Beispiel einen inneren Metallkern
und eine äußere Keramikschicht aufweist, deren
Durchmesser so gewählt sind, dass die Kapazität
gegenüber der Widerstandsschicht ungefähr genauso
hoch ist wie zwischen der Widerstandsschicht und den gegenüberliegenden Stäben
mit entgegengesetzer HF-Polarität, liegt ein variabler
Kapazitätsteiler vor. Da die Kapazität zwischen
den Stäben am Ausgang selbst bei konstanter Kapazität
pro Längeneinheit Kernmaterial aufgrund der Abstände
zwischen den Stäben größer ist als am Eingang,
kann eine Verringerung der HF-Spannung vom Eingang über
den Stab hinweg bis zum Ausgang erreicht werden. Zur Vermeidung
beträchtlicher axialer HF-Ströme und dementsprechender
HF-Verluste ist ein sehr hoher Widerstand in der Größenordnung von
ungefähr 10 kOhm bis ungefähr 105 kOhm
geeignet. Bei einer in 4C gezeigten Ausführungsform beginnt
der Stab als Isolierrohr 407, das einen Metallkern 408 umschließt.
Hierbei kann es sich zum Beispiel um ein Glasrohr handeln, das auf
einen Draht aufgeschrumpft wurde. Der Draht 408 reicht
am Ausgang 208 nicht ganz bis zum Ende des Rohrs 407, um
einem Oberflächenüberschlag zu vorzubeugen. Das
Isolierrohr 407 weist eine auf seiner Außenfläche eine
rundum abgeschiedene Widerstandsschicht 409 auf, die sich
jedoch auf einem Teil des dem Ausgang 208 nahe gelegenen
Endes befindet und somit vom Ende des Isolierrohrs 407 entfernt
ist, um übermäßig hohe HF-Ströme
zu vermeiden. Die Widerstandsschicht 409 weist eine auf
ihr abgeschiedene (nicht gezeigte) elektrisch leitende Schicht auf,
um die Verbindung zu den Kontakten auf den Ringen zu ermöglichen.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform sind die dem Eingang 202 am
nächsten gelegenen Ringe so gestaltet, dass sie den Stäben 201 sowohl
eine HF-Spannung als auch eine Gleichspannung zuführen
können. An dem dem Ausgang 208 am nächsten gelegenen
Ende ist ein Einzelring angebracht, um nur eine Gleichspannung,
aber keine HF-Spannung zuzuführen. Genauer gesagt, der
dem Ausgang 208 am nächsten gelegene Ring wird
von den Stäben HF-mäßig durch hochohmige
Chip-Widerstände 410, vorzugsweise im Bereich
von 50 kOhm bis 20 MOhm, getrennt. Desgleichen müsste die
Widerstandsschicht 409 auf dem Stab von einem Ende zum
anderen einen hohen Widerstand aufweisen, zum Beispiel im Bereich
von ungefähr 50 kOhm bis ungefähr 20 MOhm. Die
am Ausgang am Ring anliegende Spannung muss so gewählt
werden, dass sich auf der Oberfläche des Stabes die gewünschte
Ausgangsspannung einstellt. Natürlich sind auch andere
ausgeklügelte HF-Sperrsysteme möglich, bei denen
beispielsweise die Stäbe gleicher Phase vor der HF-mäßigen
Trennung und dem Gleichspannungsanschluss zusammengeschaltet werden.
Bei der repräsentativen Ausführungsform von 4C wird
die HF-Spannung nur an dem dem Eingang 202 am nächsten
gelegenen Ende der Stäbe angelegt, wobei der Oberfläche
der Widerstandsschicht zwischen dem Eingang 202 und dem
Ausgang 208 eine abnehmende HF-Spannung zugeführt
wird. Die geometrischen Abmessungen und Widerstände können
so gewählt werden, dass sich der gewünschte Gleichspannungsgradient
und HF-Spannungsgradient einstellt. Es sind auch andere Ausführungsformen
möglich, bei denen die HF-Spannung ohne Sperrwiderstände
an beiden Enden zugeführt wird und vier Ringe benötigt
werden, die jeweils zum Anlegen einer HF-Spannung an die Stäbe
ausgelegt sind. Bei einer solchen Ausführungsform ist das
Zuführen der HF-Spannung zu den Komponenten des mehrpoligen
Ionenleitsystems aufgrund der höheren Kapazitätswerte
erschwert.
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Bei
noch einer anderen repräsentativen Ausführungsform
kann an jedem Stab 201 an einer der Ionenbahn abgewandten
Seite ein Draht oder eine Leiterbahn angebracht werden. Bei dieser
Ausführungsform umgibt die Widerstandsschicht nicht jeden Stab,
sondern ist nur an der der Ionenflugbahn zugewandten Seite jedes
Stabes angebracht, wobei zwischen der Widerstandsschicht und dem
Draht oder der Leiterbahn auf der den Ionen abgewandten Rückseite
eine Lücke besteht. Die Leiterbahn oder der Draht ist mit
der HF-Spannungsquelle verbunden und führt eine veränderliche
HF-Spannung zu. Bei der Leiterbahn oder dem Draht kann es sich um
eine Elektrode handeln, die den Stab 201 nicht direkt berührt,
sondern dem Stab so nahe kommt, dass die Kapazität zwischen
der Elektrode und der Widerstandsschicht mit der Kapazität
zwischen den Stäben vergleichbar ist. Bei dieser Ausführungsform
sind für die Widerstandsschicht relativ hohe Widerstandswerte
erforderlich, und zur Kompensation der Kapazität der Halterungsringe
kann eine zusätzliche Koppelkapazität zu den mit
der Gleichspannungsquelle verbundenen Elektroden erforderlich werden.
Die HF-Spannung an der Oberfläche des Stabes ist immer
niedriger als die angelegte HF-Spannung und vermindert sich auf
dem Weg vom Eingang zum Ausgang. Da der Spannungsabfall nicht durch
ohmsche Dämpfung, sondern durch Kapazitätsteilung
erreicht wird, können die HF-Spannungsverluste insgesamt ziemlich
gering gehalten werden. Und da der axiale Widerstand ziemlich hoch
gewählt werden kann, kann auch die Gleichspannungsverlustleistung
ziemlich gering gehalten werden. Da die gesamte Verlustleistung
gering ist, kühlt das System ab, und die Ionen weisen eine
geringere thermische Energie auf. Am wichtigsten ist jedoch schließlich,
dass bei diesen Alternativen, bei denen die HF-Spannung am Ausgang
niedriger sein kann als am Eingang, die geometrischen Abmessungen
für eine gewünschte Massenbandbreite stärker
geschrumpft werden können. Entweder kann die HF-Spannung
am Eingang erhöht und so der Eingang physisch vergrößert
werden, sodass mehr Ionen ohne Störung des Ausgangs eingefangen
werden, oder die HF-Spannung und die geometrischen Abmessungen am
Eingang bleiben gleich und der Durchmesser sowie die HF-Spannung
am Ausgang werden verringert, wobei die kleinen Massen immer noch
durchkommen. Das bedeutet, dass so eine stärkere Verringerung
des Phasenraums erreicht werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass
die Vorteile der aufgeführten Alternativen auch auf einen
zusammengedrückten oder nicht kreisförmigen Multipol
zutreffen, der in der vorliegenden Patentanmeldung an anderer Stelle
beschrieben wird.
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5A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Hexapol-Ionenleitsystems 500 gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Es wird darauf
hingewiesen, dass die Auswahl eines Hexapol-Ionenleitsystems lediglich
zur Veranschaulichung dient und die vorliegenden Lehren auch auf
andere mehrpolige Ionenleitsysteme angewendet werden können.
Das Hexapol-Ionenleitsystem 500 weist gemeinsame Merkmale
mit den vorher beschriebenen Ausführungsformen auf. Viele
gemeinsame Details werden nicht wiederholt, um die vorliegende Ausführungsform
besser zu verdeutlichen.
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Das
Ionenleitsystem 500 weist konvergierend angeordnete Stäbe 201 mit
einem Eingang 202 und einem Ausgang an einem dem Eingang 202 abgewandten
Ende auf. Bei einer im Folgenden genauer beschriebenen repräsentativen
Ausführungsform sind die Stäbe 201 um
eine Achse 209 herum angeordnet. Jeder der Stäbe 201 weist
ein erstes Endes 203 und ein vom ersten Ende 203 entferntes
zweites Ende 204 gemäß der vorhergehenden
Beschreibung auf, und jeder der Stäbe 201 ist
an seinem ersten Ende 203 in einem jeweils größeren
Abstand von der Achse 209 angeordnet als an seinem zweiten
Ende 204. Bei einer repräsentativen Ausführungsform
sind die ersten Enden 203 der Stäbe so angeordnet,
das ein einbeschriebener Kreis, der an den ersten Enden 203 der
Stäbe 201 am Eingang 202 anliegt, einen größeren
Radius aufweist als ein einbeschriebener Kreis, der an den zweiten
Enden 204 der Stäbe am Ausgang anliegt.
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Das
Hexapol-Ionenleitsystem weist Stäbe 501 auf, die
zusammen mit den Stäben 201 hintereinander angeordnet
sind. Die Stäbe 501 weisen jeweils ein erstes
Ende 502 und ein zweites Ende 503 auf, wobei die
ersten Enden dem Ausgang 208 benachbart sind. Die Stäbe 501 sind
im Wesentlichen symmetrisch um die Achse 209 herum angeordnet.
Ringe 503 halten die Stäbe an Ort und Stelle und
sind so gestaltet, dass sie die Stäbe mit HF- und Gleichspannungsquellen
verbinden. Die Stäbe 501 sind nicht konvergierend
angeordnet, sondern nehmen jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten
Ende 502, 503 über ihre gesamte Länge
hinweg einen im Wesentlichen gleichen Abstand von der Achse ein.
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Das
Hexapol-Ionenleitsystem 500 bewirkt gemäß der
vorhergehenden Beschreibung eine Bündelung des Ionenstrahls
zwischen dem Eingang 202 und dem Ausgang 208.
Da der Ionenstrahl jedoch am Ausgang 208 gebündelt
ist, können die HF-Spannung am Eingang 502 und
somit die Verluste an Ionen mit kleiner Masse verringert werden.
Darüber hinaus können die Stäbe 501 gemäß der
folgenden ausführlichen Beschreibung in einem Bereich mit
geringerem Druck (z. B. in einem Massenanalysator) angeordnet werden.
Dadurch wird zum Transportieren der Ionen nur eine wesentlich niedrigere
oder gar keine Gleichspannung benötigt, da die Zusammenstöße
mit den Pufferionen entfallen und die elektrische Potenzialbarriere
aufgrund einer niedrigeren angelegten HF-Spannung niedriger ist.
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5B zeigt
eine Seitenansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Das mehrpolige
Ionenleitsystem weist Stäbe 201 auf, die gemäß der
vorhergehenden Beschreibung um eine Achse 209 herum angeordnet
sind. Die Anzahl der Pole des Ionenleitsystems der hier beschriebenen
Ausführungsform ist nicht näher festgelegt, da
es sich bei den hier beschriebenen Ausführungsformen um
Quadrupol-Ionenleitsysteme oder um mehrpolige Ionenleitsysteme höherer
Ordnung handelt. Gemäß der obigen Beschreibung
herrschen bei Massenspektrometriesystemen der repräsentativen
Ausführungsformen in verschiedenen Komponenten oft unterschiedliche Drücke.
Zum Beispiel ist der Druck in der Kammer 504 relativ hoch,
da hier das Puffergas eingeleitet wird, um den Ionen auf ihrem Weg
durch das Ionenleitsystem Wärme zu entziehen. Nach dem
Wärmeentzug gelangen die Ionen am Ausgang 208 jedoch
in einen (in 5B nicht gezeigten) Massenanalysator, in
dem ein relativ hohes Vakuum herrscht. Bei der vorliegenden Ausführungsform
herrscht im Bereich 505 ein niedrigerer Druck als in der
Kammer 504, und in einer Wand 507 der Kammer 504 befindet
sich eine Öffnung 506. Der durch die Stäbe 201 gebildete
Ausgang 208 ist dem durch die Stäbe 501 gebildeten
Eingang 502 benachbart.
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Um
das Einströmen des Puffergases aus der Kammer 504 in
den Bereich 505 auf ein Mindestmaß zu beschränken,
ist die Öffnung 506 relativ klein gestaltet. Der
Ionenstrahl wird im Ionenleitsystem gebündelt, durch das
Puffergas wird ihm Wärme entzogen, und dann wird er durch
die kleine Öffnung 502 in den Bereich 502 überführt,
der zur Massenfilterung auf einen relativ niedrigen Druck ausgepumpt
ist. Je kleiner jedoch die Öffnung 506 ist, desto
kleiner muss auch der Durchmesser des Ausgangs 208 und
des Eingangs 502 sein. Je stärker der Radius ro bei einer gegebenen HF-Spannung (V) und
deren Frequenz (ω) verringert ist, desto größer
ist Mindestmasse (mcutoff). Insofern ist
es wünschenswert, am Eingang 202 eine höhere
HF-Spannung anzulegen, um das ordnungsgemäße Einfangen
der Ionen von einer Ionenquelle zu gewährleisten, und am
Eingang 502 eine niedrigere HF-Spannung. Da die Stäbe 501 nicht
mit den Stäben 201 verbunden sind, lässt
sich das Anlegen einer niedrigeren HF-Spannung an die Stäbe 501 am
Eingang, sofern dies überhaupt erforderlich ist, ohne Rücksicht
auf die Höhe der am Eingang 202 angelegten HF-Spannung
einfach bewerkstelligen. Wichtig ist, dass die Ionen ohne deutliche
Verschlechterung der Fokussierung vom Ausgang 208 zum Eingang 502 gelangen.
Deshalb müssen die an den Stäben 201 und 501 anliegenden
HF-Spannungen in Frequenz und Phase aufeinander abgestimmt werden.
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6A zeigt
eine perspektivische Ansicht eines mehrpoligen Ionenleitsystems 600 gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Bestimmte Details
der in Verbindung mit repräsentativen Ausführungsformen
beschriebenen mehrpoligen Ionenleitsysteme stimmen mit denen des
Ionenleitsystems 600 überein und werden im Allgemeinen
nicht wiederholt, um die Beschreibung des Ionenleitsystems 600 besser
zu verdeutlichen. Das Ionenleitsystem weist einen Eingang 602 und
einen Ausgang 603 auf. Das Ionenleitsystem 600 weist
erste Stäbe 601 mit ersten Enden 604 und
zweiten Enden 605 sowie zweite Stäbe 606 mit
ersten Enden 607 und zweiten Enden 608 auf. Die
ersten und zweiten Stäbe 601, 606 sind
um eine Achse 609 herum vom Eingang 602 bis zum
Ausgang 603 konvergierend angeordnet, liegen jedoch im
Gegensatz zu den oben in Verbindung mit den 2A bis 5B beschriebenen
Ausführungsformen an beiden Enden nicht an den einbeschriebenen
Kreisen an. Wie aus der weiteren Beschreibung deutlich wird, liegen
die ersten Enden 604, 607 der ersten bzw. zweiten
Stäbe 601, 606 vielmehr in einem (in 6A nicht
gezeigten) ersten Kreis mit einem ersten Radius, die zweiten Enden 608 der
Stäbe 606 an gegenüberliegenden Enden
eines Durchmessers eines (in 6A nicht
gezeigten) zweiten Kreises mit einem zweiten Radius und die zweiten
Enden 605 der übrigen Stäbe 601 innerhalb des
zweiten Kreises. Das mehrpolige Ionenleitsystem 600 nimmt
am Eingang 602 einen Ionenstrahl auf und erzeugt innerhalb
des Ionenleitsystems ein Feldmuster, das den Ionenstrahl in einer
Richtung so bündelt, dass am Ausgang 603 ein relativ
'flacher' Strahl gebildet wird. Wenn der Abstand der gegenüberliegenden
Stäbe 601 klein genug ist, wird dieser gebündelte
Strahl in mehrere gebündelte Ionenstrahlen aufgespaltet.
Wie stark diese Ionenstrahlen voneinander getrennt werden können,
hängt auch von der Ionenmasse ab.
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Die
mehreren Ionenstrahlen weisen einen Querschnitt, der im Wesentlichen
eindimensional ist, und einen relativ breiten Massenbereich gleichzeitig übertragener
Ionen auf. Das am Ende entstehende schmale Profil der mehreren Ionenstrahlen
kann besonders bei MS-Anwendungen von Vorteil sein, die in einer
Dimension eine relativ geringe Geschwindigkeitsspreizung erfordern,
zum Beispiel bei Laufzeitanalysatoren.
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6B zeigt
eine perspektivische Ansicht eines 14-poligen Ionenleitsystems gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform, die den Blick
vom Eingang 602 durch das Ionenleitsystem 600 zum Ausgang 603 zeigt.
Der erste Kreis 610 ist an der Innenseite den ersten Enden 604, 607 der
Stäbe 601, 606 einbeschrieben. Die zweiten
Enden 608 der zweiten Stäbe 606 sind
auf dem Durchmesser und die zweiten Enden 605 der ersten
Stäbe 601 innerhalb des zweiten Kreises 611 angeordnet.
Somit liegen die ersten Enden 604, 607 der ersten
bzw. zweiten Stäbe 601, 606 am Eingang
im Wesentlichen symmetrisch zum ersten Kreis und zur Achse 609, während
die zweiten Enden 605 der ersten Stäbe 601 innerhalb
des zweiten Kreises 611 einander gegenüberliegen
und die zweiten Enden 608 der zweiten Stäbe 606 auf
dem Durchmesser 612 des zweiten Kreises 611 angeordnet
sind. Simulationen zeigen, dass die Ionen des konvergierenden Ionenleitsystems
zur Bildung einzelner Ionenstrahlen zwischen den einander gegenüberliegenden
Stäben gleicher Polarität neigen, wenn der Abstand
zwischen den gegenüberliegenden zweiten Enden 605 der
ersten Stäbe 601 klein genug ist; zum Beispiel, wenn
der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Enden 605 ungefähr
gleich dem Abstand zwischen den benachbarten zweiten Enden 605 der
ersten Stäbe 601 ist.
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7 Äquipotenziallinien 701,
die von einem 14-poligen Ionenleitsystem gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform erzeugt werden.
Die Äquipotenziallinien 701 sind vom Eingang 602 her
zu sehen. Die Bezugsnummern 702 zeigen die Orte der ersten Enden 604 der
ersten Stäbe 601 und die Bezugsnummern 703 zeigen
die Orte der ersten Enden 607 der zweiten Stäbe 606.
Die (nicht gezeigten) Ionen sind innerhalb der Bereiche 704 eingeschlossen.
Der Potenzialtopf zwischen den einander gegenüberliegenden
Stäben, in der die Ionen eingeschlossen sind, ist relativ
klein, sodass eine sehr feine Fokussierung möglich ist.
Besonders wichtig ist, dass die Ionen in den Eingang 702 eintreten
und in der oben beschriebenen Weise in den Bereichen 704 in
Form mehrerer Ionenstrahlen gebündelt werden. In dem erzeugten
14-poligen Feld werden sechs Ionenstrahlen gebildet, die am Ausgang 603 ausgegeben
werden.
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8 zeigt
durch ein 14-poliges Ionenleitsystem gebildete Ionenstrahlen 801,
wobei die zweiten Enden 605, 608 der ersten und
zweiten Stäbe 601 beziehungsweise 606 zur
Veranschaulichung einbezogen sind. Dabei sind die Ionenstrahlen 801 so
angeordnet, wie sie am Ausgang 603 des Ionenleitsystems 600 dargestellt
sind. Der Potenzialtopf zwischen den einander gegenüberliegenden
Stäben 601 ist relativ klein und erlaubt eine
relativ feine Fokussierung: im Bereich von ungefähr 2/1
bis ungefähr 40/1. Ferner ist ein Abstand (d1) zwischen
gegenüberliegenden zweiten Enden 605 der ersten
Stäbe 601 und ein Abstand (d2) zwischen zweiten
Enden 605 benachbarter erster Stäbe 601 dargestellt.
Je mehr sich der Abstand d1 dem Abstand d2 annähert, desto
besser isoliert und desto stärker gebündelt sind die
Ionenstrahlen 801 und weisen eine umso geringere Spreizung
oder Querschnittsfläche auf. Eine Analyse zeigt, dass die
Form des Feldes bei dieser Geometrie einer Anzahl benachbarter Quadrupolfelder
ziemlich ähnlich ist. 8 veranschaulicht
die Endpositionen der Ionenstrahlen, welche die Minima des HF-Potenzials
wiedergeben. Auf diese Weise können durch ein HF-Ionenleitsystem
eine breite Ionenakzeptanzfläche und ein hoher Fokussierungsgrad
der Ionen miteinander kombiniert werden. Obwohl sich ein Verhältnis
von d1/d2 = √3 als praktikabel erweist, sind auch größere
und kleinere Verhältnisse denkbar. Bei kleineren Verhältnissen
wird der Ionenstrahl am Eingang 602 in mehrere Kanäle
aufgeteilt. Jedoch kann auch noch eine geringere Abflachung des
Mehrpols von Vorteil sein. Zum Beispiel können bei dem
Querschnitt von 6A im Allgemeinen viele Geometrien
als Ausgang verwendet werden. Auch wenn der Ionenstrahl nicht so
stark gebündelt wäre und die Aufteilung der Ionenstrahlen
in mehrere Kanäle weniger deutlich sein oder überhaupt
nicht eintreten sollte, ist der am Eingang 602 eintretende
Ionenstrahl ungeachtet dessen am Ausgang im Vergleich zu seiner
Größe an dem im Wesentlichen kreisrunden Eingang 602 gebündelt.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform, deren Stäbe enden,
bevor der Ionenstrahl ganz abgeflacht ist, besteht in einer größeren
Massenbandbreite und einem etwas größeren Zwischenraum
zwischen den Stäben. Nicht gezeigt ist, dass bei dieser
Alternative mit teilweiser Abflachung der Ausgang leicht elliptisch geformt
ist und die resultierende Feldgeometrie eine Kombination von Quadrupoltermen
und mehrpoligen Termen höherer Ordnung darstellt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das 14-polige Ionenleitsystem 600 lediglich
zur Veranschaulichung dient und die Anzahl der auf diese Weise angeordneten
Pole weder nach oben noch nach unten begrenzt ist. In diesem Sinne
kann die Anzahl der Stäbe 6, 8, 10, 12, 14 und mehr betragen.
Unabhängig von der gewählten Anzahl der Pole weisen
die gegenüberliegenden Elektroden am Ausgang (z. B. am Ausgang 603)
des mehrpoligen Ionenleitsystems vorzugsweise gleiche Polarität
auf, was am einfachsten durch die Verwendung von 6, 10, 14, 18 oder mehr
Stäben erreicht wird, weil die Stäbe 702 dann
in zwei parallelen Reihen mit einem Endstab 703 an jeder
Seite angeordnet werden können. Anschaulich bedeutet dies,
dass die Anzahl der einzelnen quadrupolähnlichen Übertragungsbereiche,
die bei einer solchen Anordnung entstehen, gleich n = 2m + 2 ist, wobei
n gleich der Anzahl der Stäbe und m gleich der Anzahl der
einzelnen Übertragungsbereiche am Ausgang ist. Eine brauchbare
Geometrie ergibt sich, wenn der Ort jedes Endstabes 703 so
gewählt wird, dass eine (nicht gezeigte) im Wesentlichen
vertikale Feldlinie erzeugt wird, welche die beiden dem Endstab 703 benachbarten
Stäbe miteinander verbindet. In 7, in der
die Feldlinien nicht dargestellt sind, zeigen die Äquipotenziallinien
eine hohe Symmetrie der im Wesentlichen auf Quadrupolfelder zurückzuführenden
Kanäle, jedoch legt eine genauere Prüfung nahe,
dass eine horizontale Verschiebung der Endstäbe 703 weiter
von der Mitte weg noch besser sein könnte. Eine höhere
Anzahl der Stäbe bewirkt eine Vergrößerung
des Durchmessers des ersten Kreises 610, ohne dass die
Abstände zwischen den einzelnen Stäben zu groß werden.
Andererseits jedoch kann, unabhängig von der gewählten
Anzahl der Pole, ein großer Unterschied zwischen der Querschnittsfläche
am Eingang 602 und der Querschnittsfläche am Ausgang 603 eine
Verkleinerung des Übertragungsfensters für die
Ionenmassen bewirken.
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9 zeigt
Simulationen von Ionen, die durch das 14-polige Ionenleitsystem 600 geleitet werden,
und die Bildung einzelner Ionenflugbahnen zwischen den gegenüberliegenden
Stäben gleicher Polarität. Die Bezugsnummer 901 betrifft
die Simulation mit Blick von der Seite auf das Ionenleitsystem 600 (entlang
der in 6A gezeigten y-z-Ebene des Koordinatensystems)
und die Bezugsnummer 902 betrifft die Simulation mit Blick
von 'oben' auf das Ionenleitsystem (entlang der x-z-Ebene). Die
Analyse zeigt, dass die Form des Feldes bei dieser Geometrie den
Quadrupolfeldern ziemlich ähnlich ist.
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10 zeigt
die Aufspaltung eines am Eingang 602 eines Hexapol-Ionenleitsystems
eingegebenen Ionenstrahls 1001 in Ionenstrahlen 1002 am Ausgang 603 des
Hexapol-Ionenleitsystems. Die ersten Enden 604, 607 der
ersten und zweiten Stäbe 601 beziehungsweise 606 und
die zweiten Enden 605, 608 der ersten und zweiten
Stäbe 601 beziehungsweise 606 sind zur
Veranschaulichung einbezogen.
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Die 11A und 11B zeigen
in perspektivischer Ansicht und in Querschnittsansicht die Ausführungsform
von 10, wobei nach dem Ausgang zusätzliche
Linsenelemente 1101 zum Beeinflussen der nun getrennten
Ionenstrahlen angebracht sind. Es kann eine einzige (nicht gezeigte)
Ausgangslinse mit zwei Öffnungen bereitgestellt werden, von
denen jede für einen Ionenstrahl vorgesehen ist. Nachdem
die Ionenstrahlen aufgespaltet worden sind, können sie
einzeln beeinflusst werden, um sie zu verschiedenen Analysatoren
oder Detektoren zu senden oder einzeln weiter zu bündeln. Ähnlich
wie bei den in Verbindung mit 5B beschriebenen Ausführungsformen
kann durch das Koppeln eines konvergierenden und abgeflachten Multipols
mit einem passend dazu abgeflachten, aber parallelen Multipol bei
derselben oder einer niedrigeren HF-Spannung die Energie weiter
verringert und die Bündelung unter Verringerung des Gasdrucks
aufrechterhalten werden. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die
abgeflachten Geometrien von einem niedrigeren Vakuumleitwert profitieren,
wenn die Ionen ein Rohr durchlaufen, das zwei Vakuumbereiche miteinander
verbindet. Im Fall des 14-poligen Ionenleitsystems beispielsweise
ist der axiale Gasleitwert für die abgeflachte Ausführungsform
gegenüber der kreisförmigen konvergierenden Ausführungsform deutlich
verringert.
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Die 12A und 12B zeigen
eine repräsentative Ausführungsform für
das Aufspalten eines Ionenstrahls in zwei Ionenstrahlen durch Verwendung
von konvergierenden Mehrpolen. Am Ausgang 605 (entlang
der Ebene 1203 in die Ebene des Blattes von 4B)
werden Ionenstrahlen 801 durch ein 12-poliges Ionenleitsystem
bereitgestellt. Gemäß der obigen Beschreibung
nimmt das Ionenleitsystem eine ”abgeflachte Form” an,
und in der Ebene 1203 werden kleinere Ionenstrahlen 801 gebildet.
Es werden zwei Mittelelektroden 1201 bereitgestellt, die
zur Mitte hin verschoben werden, bis sie (wie dargestellt) direkt
nebeneinander liegen. Dadurch werden zwei Hexapol-Ionenleitsysteme
gebildet, die weiter voneinander getrennt werden können,
um getrennte Ionenstrahlen 1202 in der Ebene 1204 von 12B zu erzeugen. Ebenso wie zuvor wird die Anzahl
der Stäbe 601, 608 für den Multipol
entsprechend der gewünschten Ordnung gewählt.
Genauer gesagt, 8, 12 oder 16 Stäbe werden angeordnet,
um achtpolige, 12-polige beziehungsweise 16-polige Ionenleitsysteme
zu schaffen. Obwohl es sich hierbei um ein geeignetes Verfahren
zur Strahlaufspaltung handelt, kann beim Verschieben von zwei Mittelelektroden
(siehe 12B, welche das entsprechende
Simulationsergebnis zeigt) der innerste Ionenstrahl im Multipol
verloren gehen, wenn die Aufspaltung nach der Bildung kleinerer
Ionenstrahlen erfolgt.
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13 zeigt
eine repräsentative Ausführungsform zum Aufspalten
eines eingegebenen Ionenstrahls, ohne dass ein erheblicher Teil
der Ionen verloren geht. Hierbei ist zu beachten, dass die Ionen in
zwei Strahlen aufgespaltet werden, bevor die einzelnen Ionenstrahlen
gebildet werden. An einer bestimmten Stelle im Eingang des Ionenleitsystems wird
eine Elektrode 1301 eingesetzt, die eine ”Keilform” aufweisen
kann, ohne darauf beschränkt zu sein, und eine HF-Spannung
derselben Polarität wie die beiden Mittelstäbe
führt. Durch das Einsetzen dieser Elektrode werden die
Ionen gezwungen, um sie herum zu laufen und sich dadurch in zwei
Strahlen aufzuspalten. Anschließend werden die resultierenden
Strahlen weiter gebündelt und können dann mehrere
einzelne Ionenstrahlen bilden, was in 13 durch
die Simulation der Ionenflugbahnen gezeigt wird.
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Angesichts
dieser Beschreibung wird festgestellt, dass die Verfahren und Systeme
im Einklang mit den vorliegenden Lehren realisiert werden können.
Ferner dienen die verschiedenen beschriebenen Komponenten, Materialien,
Strukturen und Parameter lediglich zur Veranschaulichung und als
Beispiel und sind in keiner Weise als Einschränkung zu verstehen.
Angesichts dieser Beschreibung können die vorliegenden
Lehren auch in anderen Anwendungen realisiert werden, und die zur
Realisierung dieser Anwendungen erforderlichen Komponenten, Materialien,
Strukturen und Ausrüstungen können unter Wahrung
des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche
gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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