DE102010018340A1 - Verfahren für eine durchstimmbare Radiofrequenz-Hochspannungsversorgung für Multipol-Ionenspeicher als Nanopartikelführung und -speicher - Google Patents

Abstract

1. Verfahren für eine durchstimmbare Radiofrequenz-Hochspannungsversorgung für Multipol-Ionenspeicher als Nanopartikelführung und -speicher
2.1 Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren für eine in Frequenz und Amplitude variable Hochspannungsversorgung für einen Multipol-Innenspeicher für die Führung und Speicherung von Nanopartikeln (Durchmesser 1–100 nm) bereitgestellt werden.
2.2 Erfindungsgemäß wird ein Transformator mit in der Breite einstellbarem Luftspalt primärseitig mit einem Rechtecksignal so gespeist, dass sekundärseitig eine sinusähnliche Spannung mit verschiebbarem Nulldurchgang bereitgestellt wird, die in ein Niederspannungs-Rechtecksignal umgewandelt wird und primärseitig als Speisesignal verwendet werden kann.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine stufenlos durchstimmbare Radiofrequenz-Hochspannungsversorgung für Multipol-Ionenspeicher als Nanopartikelführung und -speicher.
• Multipol-Ionenführungen werden standardmäßig in der Massenspektroskopie zur Führung und Speicherung von Atomen, Clustern und Mikropartikeln verwendet. Sie bestehen aus einer kreisförmigen Anordnung paralleler Stäbe. Jeder zweite Stab ist elektrisch miteinander verbunden, so dass zwei Elektrodensets entstehen an die eine bipolare, sinusförmige, hochfrequente Wechselspannung mit variablem Nulldurchgang angelegt wird. Es entsteht ein quasistatisches elektrisches Pseudopotential, das die Ionen in ein oder mehrere Bewegungsrichtungen begrenzt.
• Die Schaltungsanordnung einer entsprechenden Hochspannungsversorgung einer Multipol-Ionenführung umfasst drei Hauptbestandteile: einen Hochspannungstransformator mit in der Größe stufenlos einstellbarem Spalt im Ferritkern und Mittenabgriff auf der Sekundärseite, einen Half-Bridge Driver mit Drossel als Push-Pull-Treiber zweier gegenläufiger Primärwicklungen des Transformators und eine sekundärseitige Monitorwicklung mit Zero-Crossing Detektor als Feedback-Schleife.
• Bei bisherigen Versuchen Nanopartikel mit Multipol-Ionenführungen zu führen oder zu speichern, konnten nicht die optimalen Parameter bezüglich Frequenz und Amplitude verwendet werden, da keine in der Frequenz stufenlos durchstimmbare Sinusspannungsquelle im passenden Frequenz-/Spannungsbereich (10–250 kHz, 3 kV) bekannt war. Herkömmliche Verstärker im Bereich < 10kHz basieren auf transistorbetriebenen Verstärkern mit nachgeschalteten Eisenkerntransformatoren, wogegen Verstärker im Bereich > 250 kHz auf High-Q-Heads mit Luftspulen basieren. Beide Methoden sind jedoch nicht in der Lage den benötigten Frequenz-/Spannungsbereich (10–250 kHz, 3 kV) bereitzustellen.
• Aus dem Stand der Technik (z. B. Wang, S. and Johnston, M. V.: Airborne nanoparticle characterization with a digital ion trag-reflectron time of flight mass spectrometer, Intl. J. of Mass Spectrometry 258 (2006) 50–57.) sind Versuche bekannt, bei denen anstatt einer Sinus- eine Rechteckspannung verwendet wird. Theoretisch ist zwar jede periodische Signalform dazu geeignet, Ionen in einer Multipol-Ionenführung zu führen und zu fangen, jedoch entstehen bei einer rechteckförmigen, RF-Spannung aber unsymmetrische Verzerrungen und überlagerte höhere harmonische Oszillationen auf dem Primärsignal. Dies erhöht die Verluste der Innenführung und vermindert die maximale Speicherkapazität im Fallenbetrieb. Weiterhin haben diese Verstärker nicht die Möglichkeit, mit einem konstanten Potential überlagert und so der Mitteldurchgang des Signals verschoben zu werden. Gleiches gilt auch für die in der US 7,193,207 B1 vorgestellten Quadrupol-Ionenfalle, bei der eine digital erzeugte Rechteckspannung zum Betrieb einer Quadrupol- Ionenfalle verwendet wird. Die schlechte Signalqualität ist hier z. B. in 4 erkennbar.
• Weiterhin ist aus der DE 60 2005 001 902 T2 ein Resonanzwechselrichter mit einer Rückkopplungsschaltung mit einer einstellbaren Vorspannungsstromquelle bekannt. Hier wird ebenfalls mit Hilfe einer MOSFET-Push-Pull Schaltung ein Schwingkreis betrieben. Dieser muss jedoch durch einen aufwändigen Parallelresonanzkreis und eine elektronische Phasenkorrektur gestimmt werden. Mit der hier vorgestellten Lösung kann keine Verschiebung des Nulldurchganges vom Sinussignal realisiert werden. Weiterhin wird nur ein Sinussignal zur Verfügung gestellt. Für den Betrieb einer Multipol-Ionenführung ist jedoch eine gleichzeitige Bereitstellung zweier gegenphasiger Spannungen notwendig. Außerdem ist in diesem Patent auch keine Durchstimmbarkeit des Generators vorgesehen, so dass letzterer nur bei einer fest eingestellten Frequenz arbeitet.
• Mit der DE 697 23 811 T2 wird ein Verfahren zum Auffangen von Ionen in Ionenfallen und Ionenfallen-Massenspektrometersystemem vorgestellt. Ausgehend vom ursprünglichen Anwendungsgebiet, dem Speichern von Atom- oder Molekülionen mit sehr geringer Masse, wird das Grundprinzip von Ionenfallen beschrieben. In dieser Anwendung wird üblicherweise eine Versorgungsspannung im MHz-Bereich bei wenigen hundert Volt benötigt.
• Mit der vorliegenden Erfindung soll die Einsetzbarkeit von Ionenfallen-Massenspektrometersystemen auf Partikel im nm-Bereich erweitert werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren für eine in Frequenz und Amplitude variable Hochspannungsversorgung für einen Multipol-Ionenspeicher für die Führung und Speicherung von Nanopartikeln (Durchmesser 1–100 nm) bereitzustellen.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
• 1 – prinzipieller Aufbau einer Hochspannungversorgungsschaltung für das erfindungsgemäße Verfahren.
• Erfindungsgemäß wird ein Transformator mit in der Größe einstellbarem Luftspalt primärseitig mit einem Rechtecksignal so gespeist, dass sekundärseitig eine sinusähnliche Spannung mit verschiebbarem Nulldurchgang bereitgestellt wird. Diese Spannung wird abgegriffen und in ein Niederspannungs-Rechtecksignal umgewandelt, welches wiederum primärseitig als Speisesignal verwendet werden kann. Auf diese Weise wird ein frei schwingender Resonanzschwingkreis realisiert, der sekundärseitig eine Sinusspannung im kV-Bereich mit einer Frequenz, die durch die Größe des Luftspaltes zwischen 10 kHz und 250 kHz einstellbar ist, bereitstellt.
• Der frei schwingende Resonanzschwingkreis besteht aus einem Ferrit Transformator mit in der Größe einstellbarem Luftspalt, einem Half-Bridge Driver und einem Zero-Crossing Detektor. Die Eigenfrequenz des Resonators lässt sich durch Variation der Breite des Ferritkern-Luftspaltes stufenlos im kHz-Bereich einstellen. Durch eine geeignete Windungszahl im Transformator kann eine sinusförmige Spannung mit einer Amplitude im kV-Bereich erzeugt werden.
• In 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Hochspannungsversorgungsschaltung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Half-Bridge Driver besteht aus einem IC (IR2104) und zwei Transistoren (IRF740), um einen TTL-Puls der gewünschten Ausgabefrequenz in die Primärseite des Transformators mit einstellbarem Kernabstand einzuspeisen. Hat der Spalt im Ferritkern des Transformators den passenden Abstand, kann auf seinen Sekundärseite eine Sinusspannung abgegriffen werden. Die Amplitude des Sinus hängt von der über eine Drossel eingespeisten Versorgungsspannung der Primärspule ab. Die Sekundärseite enthält außerdem eine Monitorwicklung, die den Sinus bei geringer Spannung ausgibt. Dieses Signal wird durch einen Zero-Crossig Detektor (LM393N) wiederum in einen TTL-Puls der gleichen Frequenz gewandelt. Dieser TTL-Puls kann als Eingangssignal für die Half-Bridge Schaltung genutzt werden, um ein selbstschwingendes System zu erhalten. Die Schwingungsfrequenz wird dann über den Spaltabstand des Ferritkernes stufenlos durchgestimmt.
• Mit der vorliegenden Erfindung gelingt die Bereitstellung einer in der Frequenz stufenlos durchstimmbaren, sinusförmigen Wechselspannung im Frequenzbereich 10–250 kHz mit einer Amplitude von mehreren kV und verschiebbarem Nulldurchgang, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannten Multipol-Ionenführungen auch für die Führung und Speicherung von Nanopartikeln verwendet werden können.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - US 7193207 B1 [0005]
• - DE 602005001902 T2 [0006]
• - DE 69723811 T2 [0007]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - Wang, S. and Johnston, M. V.: Airborne nanoparticle characterization with a digital ion trag-reflectron time of flight mass spectrometer, Intl. J. of Mass Spectrometry 258 (2006) 50–57. [0005]

Claims (1)

1. Verfahren für eine Radiofrequenz-Hochspannungsversorgung für einen Multipol-Ionenspeicher bestehend aus einem Half-Brigde Driver mit Drossel, einem Transformator mit im Ferritkern einstellbaren Luftspalt und einem Zero Crossing Detektor, wobei der Half-Brigde Driver aus einem Integrierten Schaltkreis und zwei Leistungs-MOSFETs besteht, der Transformator an seiner Primärseite zwei gegenläufige Wicklungen aufweist, die vom Half-Bridge Driver abwechselnd über eine Drossel mit Strom beschickt werden und an seiner Sekundärseite einen Mittelabgriff für die Verschiebung des Nulldurchganges und eine Monitorwicklung aufweist, deren über den Zero-Crossing Detektor modifiziertes Ausgangssignal das Eingangssignal für den Half-Bridge Driver bildet, so dass das Gesamtsystem selbstschwingend ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Hochspannungsversorgung durch die Veränderung des Luftspaltes im Ferritkern des Transformators stufenlos einstellbar ist.