DE102014119446B4

DE102014119446B4 - Ionenoptisches Element

Info

Publication number: DE102014119446B4
Application number: DE102014119446.2A
Authority: DE
Inventors: Joseph A. Jarrell
Original assignee: Waters Technologies Corp
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2034-12-23
Also published as: GB2529330B; GB2529330A; GB201519342D0; DE102014119446A1; GB2524614A; GB2524614B; US20150179421A1; US9362098B2

Abstract

lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900), umfassend:ein äußeres Keramikrohr (102, 202), das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist;ein inneres Keramikrohr (101, 201), das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist,innerhalb und konzentrisch zu dem äußeren Keramikrohr (102, 202), wobei das innere Keramikrohr (101, 201) eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs (102, 202) eingepasst ist und in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr (102, 202) steht;eine elektrische Heizung (110), die dazu hergerichtet ist, das äußere Keramikrohr (102, 202) zu heizen;ein erstes leitfähiges Element (107) an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201);eine Gleichspannungsversorgung (120), die eine Gleichspannung zwischen dem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) und einem entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201) anlegt,wobei das erste Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, undwobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, undwobei der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen allgemein ionenoptische Elemente, die beispielsweise in Flugzeit-Massenspektrometern, lonenmobilitäts-Spektrometern, lonenführungen, Kollisionszellen, Reaktionszellen oder anderen Instrumenten verwendet werden können.
Flugzeit-Massenspektrometer (time-of-flight mass spectrometers; TOFs) können verwendet werden, um Ionen zu trennen und ihr Masse-Ladung-Verhältnis zu bestimmen. Bei einem linearen TOF werden Ionen durch eine Potenzialdifferenz schnell beschleunigt, um eine kinetische Energie einzustellen, und bewegen sich dann in gerader Linie durch eine Flugröhre. Die Ankunft der Ionen am anderen Ende der Rohre wird detektiert, typischerweise mit einer Mikrokanalplatte oder einem sehr schnellen Elektronen-Multiplier. Wenn verschiedene Ionen verschiedene Massen haben, bewegen sich die leichteren Ionen schneller und kommen früher beim Detektor an. Der Unterschied in der Ankunfts-zeit kann als Maß für das Masse-Ladung-Verhältnis (m/z) der Ionen verwendet werden. TOF-Massenspektrometer werden beispielsweise in US 7 154 086 B2 und US 8 084 732 B2 beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit einbezogen werden.
lonenmobilitats-Spektrometer (ion mobility spectrometers; IMS) können ebenfalls verwendet werden, um Analyt-Ionen zu trennen und zu identifizieren. Im Gegensatz zu Flugzeit-Massenspektrometern, die mit einem Hochvakuum arbeiten, so dass Kollisionen mit Hintergrundgas vernachlässigt werden können, arbeiten lonenmobilitäts-Geräte bei Atmosphärendruck oder bei Vakuum-Werten, die so schlecht sind, dass Analyt-Ionen ständig kinetische Energie durch Kollisionen mit dem Hintergrundgas verlieren. Da die Größe, Form und Masse eines Analyt-Ions seine Mobilität beeinflusst, messen lonenmobilitäts-Spektrometer die Laufzeit, die ein Ion benötigt, um eine bestimmte Distanz zurückzulegen. Da die Bewegung eines Ions ständig gedampft wird, werden die Ionen typischerweise einem elektrischen Feld ausgesetzt, während sie sich durch das IMS bewegen. Ein IMS umfasst typischerweise eine Reihe von gleich beanstandeten Ringen mit einem gleichen Spannungsunterschied zwischen jedem Paar von Ringen. Ein solches Gerat ist in den 1 und 2 im Patent US 7 081 618 B2 beschrieben, auf das hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
lonenführungen, Kollisionszellen und Reaktionszellen können als Komponenten in Massenspektrometern verwendet werden, lonenführungen können als eine Komponente in TOF- oder Quadrupol-Massenspektrometern verwendet werden, um Ionen durch verschiedene Stufen des Massenspektrometer-Systems zu transportieren. Ein Beispiel einer lonenführung ist im Patent US 6 812 453 B2 beschrieben, welches hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen wird.
Kollisionszellen können verwendet werden, um Ionen in einer Probe zu fragmentieren, um ihre Struktur zu bestimmen oder um empfindlichere oder spezifischere Analysen zu erreichen. Eine einfache Kollisionszelle wird im Patent US 6 812 453 B2 beschrieben, welches hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen wird. In einer Kollisionszelle werden Radiofrequenz(RF)-Felder verwendet, um Ionen radial einzusperren, während sie sich durch eine Quadrupol-, Hexapol- oder andere Multi-pol-lonenführung bewegen. Der Gasdruck innerhalb der lonenführung wird erhöht und Ionen werden in die lonenführung mit hinreichender Energie eingespritzt, um eine Fragmentierung der Ionen zu verursachen, wenn sie mit den neutralen Gasmolekülen innerhalb der Kollisionszelle zusammenstoßen. Diese lonenfragmente können dann mittels eines Masse-Analysators analysiert werden. In vielen Fällen hat es sich als nützlich erwiesen, ein axiales elektrisches Feld zu erzeugen, um eine lonenbewegung durch die Kollisionszelle und aus dieser heraus aufrechtzuerhalten. Verschiedene Mittel zum Erzeugen eines solchen axialen Felds werden in US 5 847 386 A beschrieben, auf das hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Reaktionszellen sind insgesamt strukturell ähnlich wie Kollisionszellen, aber verwenden ein Reaktionsgas wie Ammoniak, Methan, Sauerstoff oder Wasserstoff (oder Gemische von Reaktionsgasen), welche mit der Probe reagieren, um isobare Interferenzen zu reduzieren oder zu eliminieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung betrifft ionenoptische Elemente gemäß den unabhängigen Ansprüchen, sowie ein Massensspektrometer, eine Ionenmobilitäts-Driftröhre, und ein Reflektron gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben. Ausführungsformen von hier offenbarten ionenoptischen Elementen können als unterschiedliche Geräte Verwendung finden in Massenspektrometrie- und verwandten Systemen, wie lonenführungen, Reflektronen, Kollisionszellen, Reaktionszellen und lonenmobilitäts-Driftrohren. Diese Ausführungsformen weisen ein inneres Keramikrohr auf, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt und konzentrisch innerhalb eines zweiten Keramikrohrs angeordnet ist, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist. Das zweite Keramikrohr weist eine elektrische Heizung auf, entweder in das zweite Keramikrohr eingebettet oder das zweite Keramikrohr umgebend. Das erste Keramikrohr befindet sich in engem thermischen Kontakt mit dem zweiten Keramikrohr, so dass, wenn das zweite Keramikrohr auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt wird, das erste Keramikrohr ebenfalls auf diese erhöhte Temperatur aufgeheizt wird, da sowohl das erste Keramikrohr als auch das zweite Rohr aus Materialien gefertigt sind, die gute Wärmeleiter sind. Der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur des zweiten Keramikmaterials ist um wenigstens zwei Größenordnungen höher als der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur des ersten Keramikmaterials.
Die Ausführungsformen des hier offenbarten ionenoptischen Elements umfassen eine Ausführungsform mit einem äußeren Keramikrohr, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, und einem inneren Keramikrohr, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und zwar innerhalb und konzentrisch zu dem äußeren Keramikrohr. Das innere Keramikrohr ist eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs eingepasst und ist in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr. Eine elektrische Heizung ist dazu hergerichtet, das äußere Keramikrohr zu heizen. Ein erstes leitfähiges Element befindet sich an einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs. Eine Gleichspannungs-(DC)-Versorgung legt eine Gleichspannung zwischen dem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und einem entgegengesetzten Ende des inneren Keramikrohrs an. Das erste Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und das zweite Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur ist um wenigstens zwei Größenordnungen höher als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur. Bei bestimmten Ausführungsformen entspricht die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Keramikmaterials einer Wärmeleitfähigkeit, die um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials.
Ausführungsformen umfassen ebenfalls ein Massenspektrometer mit einer lonenführung innerhalb einer ersten Kammer, welche dazu hergerichtet ist, Ionen in Richtung einer Pusher-Platte in einer zweiten Kammer zu lenken. Es weist einen Stapel von Ringelektroden innerhalb der zweiten Kammer auf. Die Pusher-Platte ist dazu hergerichtet, gepulst auf eine Hochspannung gegenüber einer ersten Ringelektrode innerhalb des Stapels von Ringelektroden gebracht zu werden, so dass die Ionen in eine Flugröhre in der zweiten Kammer und dann in ein ionenoptisches Element innerhalb der zweiten Kammer beschleunigt werden. Das ionenoptische Element umfasst ein äußeres Keramikrohr, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, und ein inneres Keramikrohr, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und zwar innerhalb des äußeren Keramikrohrs. Das innere Keramikrohr ist so dimensioniert, dass es eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs eingepasst ist und in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr steht. Eine elektrische Heizung heizt das äußere Keramikrohr. Eine Gleichspannungsversorgung legt eine Gleichspannung zwischen einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und einem entgegengesetzten Ende des inneren Keramikrohrs an. Das erste Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und das zweite Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur ist um wenigstens zwei Größenordnungen höher als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Ausführungsformen umfassen ebenfalls ein ionenoptisches Element mit einem äußeren Keramikrohr, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, und einem inneren Keramikrohr, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und zwar innerhalb des äußeren Keramikrohrs. Das innere Keramikrohr ist eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs eingepasst und steht in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr. Eine elektrische Heizung heizt das äußere Keramikrohr. Ein erstes leitfähiges Element befindet sich an einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und eine Endplatte an dem entgegengesetzten Ende des Keramikrohrs. Eine Gleichspannungsversorgung legt eine Gleichspannung zwischen dem ersten leitfähigen Element und der Endplatte an. Die Polarität der Gleichspannungsversorgung ist so ausgewählt, dass die Endplatte Ionen abstößt, die in das ionenoptische Element eintreten. Das erste Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Das zweite Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur ist um wenigstens zwei Größenordnungen höher als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, und die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur ist um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Ausführungsformen umfassen des Weiteren eine lonenmobilitäts-Driftröhre mit einem äußeren Keramikrohr, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, und einem inneren Keramikrohr, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und zwar innerhalb des äußeren Keramikrohrs. Das innere Keramikrohr steht in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr. Eine elektrische Heizung ist hergerichtet, um das äußere Keramikrohr zu heizen. Ein erstes leitfähiges Element ist an einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs befestigt und ein zweites leitfähiges Element ist an einem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs befestigt. Die Driftröhre weist ebenfalls einen Anschluss zum Einbringen eines Gegenstroms von Gas in das innere Keramikrohr auf. Sie weist eine Gleichspannungsversorgung auf, die eine Gleichspannung zwischen dem ersten leitfähigen Element und dem zweiten leitfähigen Element anlegt. Die Gleichspannung ist ausgewählt, um die Ionen durch den Gegenstrom von Gas in Richtung des Ausgangsendes des inneren Keramikrohrs anzutreiben. Das erste Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Das zweite Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur ist um zwei Größenordnungen oder mehr höher als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um ungefähr eine Größenordnung oder mehr höher als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Ausführungsformen umfassen ebenfalls ein ionenoptisches Element mit einem äußeren Keramikrohr, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, und einem inneren Keramikrohr, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und zwar innerhalb des äußeren Keramikrohrs und konzentrisch zu dem äußeren Keramikrohr. Das innere Keramikrohr steht in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr. Das ionenoptische Element hat eine leitfähige Eingangsplatte mit einer Eingangsöffnung an einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und eine leitfähige Ausgangsplatte mit einer Ausgangsöffnung an einem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs. Es weist eine elektrische Heizung auf, die dazu hergerichtet ist, das äußere Keramikrohr zu heizen. Es weist ebenfalls ein erstes Paar von gegenüberliegenden Elektroden auf, die sich im Wesentlichen entlang der Länge des zweiten Keramikrohrs erstrecken und einander gegenüberliegend angeordnet sind, und ein zweites Paar von gegenüberliegenden Elektroden, die sich im Wesentlichen entlang der Länge des äußeren Keramikrohrs erstrecken und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektroden des zweiten Paares von gegenüberliegenden Elektroden sind am Umfang des äußeren Keramikrohrs in Positionen angeordnet, die sich auf halbem Weg zwischen den Positionen des ersten Paares von gegenüberliegenden Elektroden befinden. Eine Gleichspannungsversorgung legt eine Gleichspannung zwischen dem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und dem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs an. Eine RF-Quelle ist in einer ersten Phase kapazitiv an das erste Paar von gegenüberliegenden Elektroden gekoppelt und ist in einer zweiten Phase ebenfalls kapazitiv an das zweite Paar von gegenüberliegenden Elektroden gekoppelt. Die zweite Phase ist um 180° phasenverschoben zu der ersten Phase. Das ionenoptische Element hat einen Anschluss zum Einbringen entweder von einem Kollisionsgas oder einem Reaktionsgas in das Innere des inneren Keramikrohrs. Das erste Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und das zweite Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, der um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur. In bestimmten Ausführungsformen ist das zweite Keramikmaterial durch eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur gekennzeichnet, die um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Reflektron für ein Massenspektrometer, das ein äußeres Keramikrohr mit einer elektrischen Heizung aufweist. Es weist ein inneres Rohr innerhalb des äußeren Keramikrohrs auf, welches in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr steht. Das innere Rohr umfasst wenigstens fünf Sätze von sich abwechselnden Metallringelektroden und Keramikringen. Das Reflektron hat ein Eingangsgitter an einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und eine Endplatte an einem entgegengesetzten Ende des inneren Keramikrohrs. Es weist ebenso eine Hochspannungsversorgung auf, die eine Hochspannung zwischen dem Eingangsgitter und der Endplatte anlegt. Die Hochspannung ist so ausgewählt, dass die Endplatte Ionen abstößt. Die Keramikringe sind aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt, das gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und durch eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Das äußere Keramikrohr ist aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt, das gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur ist um wenigstens zwei Größenordnungen höher als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur. In bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens eine Größenordnung höher als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Eine weitere Ausführungsform ist ein ionenoptisches Element mit einem inneren Keramikrohr, das konzentrisch innerhalb eines äußeren Keramikrohrs angeordnet und in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr ist. Es weist eine elektrische Heizung auf, die in das äußere Keramikrohr eingebettet ist. Es weist ebenfalls eine Eingangsplatte an einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs auf und eine Ausgangsplatte an einem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs. Die Eingangsplatte hat eine Eingangsöffnung und die Ausgangsplatte hat eine Ausgangsöffnung. Das ionenoptische Element hat einen Anschluss zum Einbringen entweder eines Kollisionsgases oder eines Reaktionsgases in die innere Kammer, die durch das innere Keramikrohr, die Eingangsplatte und die Ausgangsplatte gebildet wird. Es hat eine Gleichspannungsversorgung, die elektrisch zwischen der Eingangsplatte und der Ausgangsplatte angeschlossen ist. Es weist auch eine RF-Quelle auf, die in einer ersten Phase kapazitiv an einen ersten Satz von umlaufenden Ringelektroden gekoppelt ist und in einer zweiten Phase kapazitiv an einen zweiten Satz von umlaufenden Ringelektroden gekoppelt ist. Die zweite Phase ist 180° phasenverschoben zu der ersten Phase. Die umlaufenden Ringelektroden erzeugen ein RF-Feld, das im Wesentlichen durch die inneren Wände des inneren Keramikrohrs in die innere Kammer hindurchdringt. Das innere Keramikrohr ist aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt, das gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und durch eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Das äußere Keramikrohr ist aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt, das gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur ist um wenigstens zwei Größenordnungen höher als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur. In bestimmten Ausführungsformen ist die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens eine Größenordnung höher als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Eine weitere Ausführungsform ist ein ionenoptisches Element, das ein äußeres Keramikrohr aufweist, das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, und ein inneres Keramikrohr, das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist. Das innere Keramikrohr ist konzentrisch zu und innerhalb des äußeren Keramikrohrs, wobei das innere Keramikrohr eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs eingepasst ist und in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr steht. Es gibt eine elektrische Heizung zum Heizen des äußeren Keramikrohrs. Diese Ausführungsform weist eine Gleichspannungsversorgung auf, die eine Gleichspannung zwischen einem Eingangsende des inneren Keramikrohrs und einem entgegengesetzten Ende des inneren Keramikrohrs anlegt. Das erste Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und durch eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur. Die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur entspricht wenigstens etwa 30 W/m-K. Das zweite Keramikmaterial ist gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, der um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur.
Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Ausführungsformen werden für den Durchschnittsfachmann im Lichte der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibung offensichtlich sein oder werden. Es ist beabsichtigt, dass sämtliche derartigen weiteren Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile von dieser Beschreibung und dieser Zusammenfassung umfasst sein sollen, sei es innerhalb des Bereichs der Ausführungsformen und sei es im Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche.
Figurenliste
Die Ausführungsformen können mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen und die Beschreibung besser verstanden werden. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, der Schwerpunkt liegt stattdessen darauf, die Prinzipien der Ausführungsformen darzustellen. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen in sämtlichen verschiedenen Ansichten entsprechende Teile.

1A ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines ionenoptischen Elements mit einer eingebetteten Heizung.
1B ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines ionenoptischen Elements mit einer externen Heizung.
2A ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Eingangsgitters.
2B ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Beispiels eines Eingangsgitters.
2C ist ein schematisches Diagramm eines leitfähigen Elements, das am Eingang eines ionenoptischen Elements verwendet werden kann.
3 ist ein schematisches Diagramm eines ionenoptischen Elements, das als Reflektron in einem Flugzeit-Massenspektrometer verwendet wird.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das als Reflektron in einem Flugzeit-Massenspektrometer verwendet werden kann.
5 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das als Reflektron in einem Flugzeit-Massenspektrometer verwendet werden kann.
6 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das in einem Ionenmobilitäts-Spektrometer verwendet werden kann.
7 ist ein schematisches Diagramm eines Eingangsgitters, das in dem ionenoptischen Element aus 6 verwendet werden kann.
8A ist ein schematisches Diagramm einer perspektivischen Ansicht einer Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das als lonenführung, Kollisionszelle oder Reaktionszelle verwendet werden kann.
8B ist ein schematisches Diagramm einer Endansicht der Ausführungsform aus 8A.
8C und 8D sind schematische Diagramme von Querschnitten der Ausführungsform aus 8A.
9A ist ein schematisches Diagramm einer perspektivischen Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das als lonenführung, Kollisionszelle oder Reaktionszelle verwendet werden kann.
9B ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittsansicht der Ausführungsform aus 9A.
10A ist ein schematisches Diagramm einer perspektivischen Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das als lonenführung, Kollisionszelle oder Reaktionszelle verwendet werden kann.
10B ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittsansicht der Ausführungsform aus 10A.
11A ist ein schematisches Diagramm einer perspektivischen Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, das als lonenführung, Kollisionszelle oder Reaktionszelle verwendet werden kann.
11B ist ein schematisches Diagramm einer Querschnittsansicht der Ausführungsform aus 11A.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung von Ausführungsformen eines ionenoptischen Elements sollte nicht auf die speziellen hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden. Stattdessen kann die Offenbarung auf jedwedes ionenoptische Element angewendet werden, das in einem Massenspektrometer oder einem anderen Instrument verwendet werden kann, das bestimmte Merkmale umfasst, die hier beschrieben und in den Ansprüchen zitiert werden.
1A ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines ionenoptischen Elements. Wie in 1A gezeigt, weist das ionenoptische Element 100 ein inneres Keramikrohr 101 innerhalb eines äußeren Keramikrohrs 102 auf. Das innere Keramikrohr 101 steht in engem thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr 102. Das äußere Keramikrohr 102 enthält eine eingebettete Heizung 110. Das ionenoptische Element 100 weist weiterhin eine Hochspannungs-Gleichspannungsversorgung 120 auf, die bei einer Polarität mit dem Eingangsende 103 des inneren Keramikrohrs 101 über eine Eingangs-Ringelektrode 104 verbunden ist und bei der entgegengesetzten Polarität mit dem entgegengesetzten Ende 105 des inneren Keramikrohrs 101 über eine Ringelektrode 106 des entgegengesetzten Endes. Die Eingangs-Ringelektrode 104 ist ebenfalls mit einem leitfähigen Element 107 des Eingangs verbunden. Die Ringelektrode 106 des entgegengesetzten Endes ist auch mit einem leitfähigen Element 108 des entgegengesetzten Endes verbunden.
Das leitfähige Element 107 und das leitfähige Element 108 können beispielsweise ein Schirm oder ein Gitter sein (wie in den in 2A und 2B gezeigten Beispielen, die nachfolgend erläutert werden). Sie können auch eine Scheibe mit einer Öffnung in ihrem Zentrum sein (wie in dem in 2C gezeigten Beispiel, das nachfolgend erläutert wird). Das leitfähige Element 107 und das leitfähige Element 108 können alternativ eine Scheibe oder Platte mit einer Öffnung oder mehreren Öffnungen sein, die Ionen ermöglichen, in das ionenoptische Element zu gelangen. Im Allgemeinen können die Öffnungen in dem eingangsseitigen leitfähigen Element im Wesentlichen zu den entsprechenden Öffnungen im ausgangsseitigen leitfähigen Element ausgerichtet sein. In einigen Fällen kann einen leitfähiges Element eine Scheibe oder eine Platte ohne Öffnungen sein. Die Spannungsversorgung 120 erzeugt somit über die Ringelektroden 104 und 106 sowie die leitfähigen Elemente 107 und 108 ein axiales elektrisches Feld innerhalb des inneren Keramikrohrs 101.
1B ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform des ionenoptischen Elements, die im Allgemeinen der Ausführungsform aus 1A ähnlich ist, aber eine elektrische Heizung 111 verwendet, die extern bezüglich der äußeren keramischen Hülle 102 ist. Die weiteren Komponenten der Ausführungsform in 1B sind die gleichen wie die mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Komponenten, die in 1A gezeigt sind.
2A, 2B und 2C sind schematische Diagramme von Endansichten von drei Beispielen für das leitfähige Element 107 und/oder das leitfähige Element 108. Die schematischen Dia-gramme der Endansichten von ionenoptischen Elementen, die in 2A, 2B und 2C gezeigt sind, zeigen die Endflächen des inneren Keramikrohrs 201 und äußeren Keramikrohrs 202, zeigen aber keine Ringelektroden wie die in 1A gezeigten Ringelektroden 104 und 106. Diese wurden in 2A, 2B und 2C aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. In der schematisch in 2A gezeigten Ausführungsform ist das leitfähige Element 250 ein Gitter aus dünnen parallelen Metalldrahten, die sich Ober das Eingangsende und/oder entgegengesetzte Ende des ionenoptischen Elements 200 erstrecken. In der in 2B gezeigten Ausführungsform ist das leitfähige Element 250 ein Gitter mit einem ersten Satz von parallelen Drahten 251 (in 2B horizontal gezeigt) orthogonal zu einem zweiten Satz von parallelen Drahten 252 (in 2B vertikal gezeigt). In der in 2C gezeigten Ausführungsform ist das leitfähige Element 260 eine Metallscheibe mit einer Öffnung 261 in ihrem Zentrum. Andere leitfähige Elemente können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Schirme oder Platten mit einer oder mehreren Öffnungen oder Scheiben mit mehr als einer Öffnung.
Das innere Keramikrohr 101 ist aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt, das einen hohen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur hat. Das erste Keramikmaterial hat einen Widerstand, der als Funktion einer ansteigenden Temperatur über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 225°C abnimmt. Zirkonium ist ein gutes Beispiel für ein Material, das als erstes Keramikmaterial benutzt werden kann. Reines Zirkonium hat einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, der bis zu 10¹² Ω*cm betragen kann. Mit Yttria vermischtes Zirkonium und andere Zirkonium-Gemische, die einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur im Bereich von 10⁸ bis 10¹² Ω*cm haben, können Eigenschaften können ebenfalls verwendet wer-den. Der elektrische Widerstand all dieser Materialien verringert sich als Funktion einer ansteigenden Temperatur.
Die berichtete Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur für verschiedene Gemische von Zirkonium reichen von 2 bis 2,5 W/m*K. Bestimmte Nickel-Zink-Ferrite können ebenfalls geeignete Kandidaten sein. Beispiele sind Ferrit-Materialien, die von Fair-Rite Products Corporation aus Wallkill, New York hergestellt werden, wie beispielsweise ihre Materialien der Typen 68, 67, 61, 52, 51, 44, 46 und 43. Bestimmte Spezialgläser besitzen ebenfalls passende elektrische Eigenschaften, wenngleich ihnen die mechanischen und thermischen Eigenschaften fehlen können. Beispiele sind Natronkalk- und Alumosilikat-Glaser, wie die von Abrisa Technologies aus Santa Paula, Kalifornien, hergestellten. Fluorophlogopit-basierte Keramiken wie die von Ariake Materials Company, Tokyo, Japan, verkauften, können ebenfalls verwendet werden. Siliziumkarbid, wenngleich nicht so hochohmig (10^S bis ¹⁰⁸ Ω*cm) wie Zirkonium, hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit (60 bis 200 W/m*K) und kann ebenfalls verwendet werden. Die Familie der ESD-sicheren Keramiken, die von Coorstek, Golden, Colorado, verkauft werden, von denen wenigstens eine auf Aluminiumoxid basiert und von denen viele Ober geeignete Eigenschaften verfugen, kann ebenfalls verwendet werden.
In einer Ausführungsform, nämlich wenn das erste Keramikmaterial ein Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit ist, wie Siliziumkarbid, muss die Wärmeleitfähigkeit des äußeren Keramikrohrs nicht höher sein als die Wärmeleitfähigkeit des inneren Keramikrohrs. Bei einem Siliziumkarbid-Rohr beispielsweise, das eine Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 30 W/m*K oder höher haben kann, musste das zweite Keramikmaterial keine höhere Wärmeleitfähigkeit haben als das erste Keramikmaterial, und diese konnte sogar niedriger liegen, beispielsweise konnte sie so niedrig sein, wie 5 W/m*K oder sogar 1 W/m*K. In dieser Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit des inneren Keramik-rohrs zusammen mit einer hinreichenden Wärmeleitfähigkeit im äußeren Keramikrohr ausreichend, um sicherzustellen, dass die Temperatur des inneren Keramikrohrs angemessen gleichmäßig ist. In jedem Fall sollte allerdings der elektrische Widerstand des zweiten Keramikmaterials um zwei Größenordnungen oder mehr höher sein als der elektrische Widerstand des ersten Keramikmaterials.
Das äußere Keramikrohr 102 ist aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt, das einen noch höheren elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur aufweist als das erste Keramikmaterial. Insbesondere sollte der elektrische Wider-stand bei Raumtemperatur des zweiten Keramikmaterials um zwei Größenordnungen oder mehr höher sein als der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur des ersten Keramikmaterials. Bei Ausführungsformen, bei denen die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials weniger als 5 W/m*K bei Raum-temperatur betragt, sollte die Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials. Der elektrische Widerstand des zweiten Keramikmaterials sollte von Raumtemperatur bis zu einer Temperatur von 225°C um wenigstens zwei Größenordnungen hoher sein als der elektrische Widerstand des ersten Keramikmaterials. Bei Ausführungsformen, in denen die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials weniger als 5 W/m*K bei Raumtemperatur betragt, sollte die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Keramik-materials von Raumtemperatur bis zu einer Temperatur von 225°C um wenigstens eine Größenordnung hoher sein als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials.
Aluminiumnitrid ist ein gutes Beispiel eines Materials das als zweites Keramikmaterial verwendet werden kann. Aluminiumnitrid hat einen elektrischen Widerstand, der von 10¹² bis 10¹⁵ Ω*cm reichen kann, und eine Wärmeleitfähigkeit, die Ober 70 W/m*K erreichen kann. Als weiteres Beispiel kann Shapal Hi-M soft als zweites Keramikmaterial verwendet werden. Es ist ein gesinterter Komposit-Körper aus Aluminiumnitrid und Bornitrid, hat einen bekannten elektrischen Widerstand von 10¹⁵ Ω*cm und eine bekannte Wärmeleitfähigkeit von 92 W/m*K. Shapal Hi-M soft ist ebenfalls erhältlich von Good-fellowUSA (Coraopolis, PA) oder Precision Ceramics US (Tampa, FL). Saphir, das eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 25-35 W/m*K und einen elektrischen Widerstand oberhalb von 10¹⁵Ω*cm haben kann, ist ein weiteres Material, das als zweites Keramikmaterial verwendet werden kann. Siliziumnitrid, das eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 30 W/m*K und einen elektrischen Widerstand oberhalb von 10¹⁴ Ω*cm haben kann, ist ein weiteres Material, das als zweites Keramikmaterial verwendet werden kann.
Bevor das ionenoptische Element 100 verwendet werden kann, wird Spannung an die eingebettete Heizung 110 (in 1A schematisch gezeigt) oder die externe Heizung 111(in 1B schematisch gezeigt) angelegt, um das äußere Keramikrohr 102 auf eine gleichmäßige Temperatur ober-halb von Raumtemperatur, wie beispielsweise 50°C bis 225°C, zu heizen. Diese Temperatur wird hier als die „erhöhte Temperatur“ bezeichnet. Das äußere Keramikrohr 102 wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur entlang seiner Lange und entlang seines Umfangs haben, da es aus einem Material gefertigt ist, das eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Da das innere Keramikrohr 101 ebenfalls aus einem Material gefertigt ist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, und es in engem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr 102 steht, wird das innere Keramikrohr 101 ebenfalls auf einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur gehalten werden, die sehr nahe oder gleich der Temperatur des äußeren Keramikrohrs ist.
Bei der erhöhten Temperatur ist der Widerstand des inneren Keramikrohrs niedriger, als er bei Raumtemperatur war. Zum Beispiel können die erhöhte Temperatur und die Geometrie der Vor-richtung derart ausgewählt werden, dass der Gesamtwiderstand des inneren Keramikrohrs zwischen 50 Megaohm und 1000 Megaohm betragt, wenn das Potenzial der Hochspannung-
Dies führt zu einem gleichmäßigen Spannungsabfall entlang der Lange des inneren Keramikrohrs. Dieser Spannungsabfall erzeugt einen Strom durch die Wände des inneren Keramikrohrs von 10^-9 Ampere bis 10^-4 Ampere und ein im Wesentlichen gleichmäßiges elektrisches Feld innerhalb des inneren Keramikrohrs 101. Dieses elektrische Feld ist im Wesentlichen entlang der Achse des inneren Keramikrohrs ausgerichtet. Bei Ausführungsformen, die, wie nachfolgend beschrieben, als Kollisionszellen, Reaktionszellen oder lonenführungen verwendet werden, wo die angelegte Spannung typischerweise im Bereich von 10-150 Volt liegt, kann der Widerstand deutlich niedriger liegen. Als allgemeine Regel ist es wünschenswert, den Stromfluss unterhalb von 10^-4 Ampere zu halten.
Im Betrieb treten Ionen in das ionenoptische Element 100 beim Eingang 103 ein und bewegen sich in der durch Pfeil 109 angezeigten Richtung. Sie durchqueren das leitfähige Element 107. Das leitfähige Element 107 kann ein Gitter rein, wie in 2A oder 2B gezeigt, oder eine Scheibe mit einer Öffnung in ihrem Zentrum, wie in 2C gezeigt, welche nachfolgend beschrieben werden. Die Ionen durchqueren dann das innere Keramikrohr 101 unter dem Einfluss des elektrischen Felds innerhalb des inneren Rohrs 101. Die Homogenität sowie Gleichförmigkeit und Richtung dieses elektrischen Felds hangen von der Konfiguration und den Charakteristiken des inneren Keramikrohrs 101, des leitfähigen Elements 107 und des leitfähigen Elements 108 ab.
Abhängig von der Richtung des elektrischen Felds, der Polarität der Ionen und der Richtung, in die sich die Ionen bewegen, wenn sie in das ionenoptische Element eintreten, kann das elektrische Feld entweder die Bewegung der Ionen innerhalb des ionenoptischen Elements fordern oder ihr entgegenwirken oder beides. Wenn beispielsweise das ionenoptische Element als Reflektron in einem TOF-Massenspektrometer verwendet wird, wirkt das axiale elektrische Feld der Bewegung der Ionen entgegen, wenn sie in das ionenoptische Element eintreten, bis die Ionen die Richtung wechseln, wie nachfolgend beschrieben. Nachdem die Ionen die Richtung wechseln, treibt das axiale elektrische Feld die Ionen zurück in Richtung des Eingangs des Reflektrons. In einem lonenmobilitäts-Spektrometer und in einer Kollisions- oder Reaktionszelle wird das axiale elektrische Feld verwendet, um die Ionen durch das ionenoptische Element anzutreiben.
3 ist ein schematisches Diagramm, das ein ionenoptisches Element zeigt, das als Reflektron 350 in einem Flugzeit-Massenspektrometer 300 verwendet wird. Ionen, die von einer Quelle geladener Partikel 301 erzeugt werden, treten durch einen Eingangskegel 302 in das Massenspektrometer 300 ein. Sie werden dann durch elektrische Felder und Gasfluss innerhalb einer Kammer 303 durch einen Skimmer 304, durch eine lonenführung 306 in einer Kammer 305 und in eine Kammer 307 gelenkt. In der Kammer 307 befinden sich eine Pusher-Platte 308 und die nächstgelegene Elektrode in einem Stapel von Ringelektroden 309 typischerweise auf dem gleichen elektrischen Ionen aus der lonenführung 306. Die Pusher-Platte 308 wird dann rasch auf eine höhere Spannung bezüglich der nächstliegenden Ringelektrode gepulst. Im Falle positiver Ionen kann sie typischerweise 500 Volt positiver gepulst werden als die nächstliegende Ringelektrode in dem Stapel von Ringelektroden 309. Dies erzeugt ein temporäres elektrisches Feld zwischen der Pusher-Platte und der nächstliegenden Ringelektrode im Stapel 309, welches orthogonal zur anfänglichen Richtung ist, in der sich die Ionen bewegen. Dieses orthogonale elektrische Feld treibt die Ionen in die Flugrohre 311.
Die Spannungsversorgung 320 legt eine Hochspannung an die Quelle 301 an, so dass von der Quelle emittierte geladene Partikel zum vorderen Kegel 302 gezogen werden, welcher sich auf oder nahe Masse befindet. Ein strombegrenzender Widerstand 323 kann zwischen Spannungsversorgung 320 und Quelle 301 eingesetzt werden. Vakuumpumpen 321, 322 und 323 evakuieren die Kammern 303, 305 bzw. 307. Der Druck in Kammer 307 beispielsweise muss auf einem sehr niedrigen Druck gehalten werden, beispielsweise bei 133.3224*10^-6 Pascal (10^-6 Torr) oder weniger.
Die Ionen bewegen sich dann durch die Flugrohre 311, durchqueren das Eingangsgitter 312 und treten in das Reflektron 350 ein. Weil die Anfangsgeschwindigkeit der Ionen, wenn sie in die Flugrohre 311 eintreten, durch ihr Masse-Ladung-Verhältnis m/z bestimmt wird, während sie durch das orthogonale elektrische Feld beschleunigt werden, trennen sich die Ionen entsprechend ihrer m/z-Verhältnisse, während sie sich durch die Flugrohre 311 bewegen. Die Ionen treten dann in das Reflektron 350 ein, wo sie einem elektrischen Feld zwischen Endplatte 315 und Eingangsgitter 312 begegnen, das ihrer Bewegung entgegengesetzt ist. Die Reflektron-Röhre 350 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 und 5 detaillierter beschrieben. Die in 3 gezeigte Reflektron-Röhre weist ein inneres Keramikrohr 313, ein äußeres Keramikrohr 314 mit einer eingebetteten Heizung 316, ein Eingangsgitter 312 und eine Endplatte 315 auf.
Wie durch die Flugbahn 330 in 3 dargestellt, wird die Vorwärtsbewegung der Ionen schließlich umgekehrt, und die Ionen werden zurück in einen lonendetektor 310 gelenkt. Der lonendetektor 310 kann ein dualer Mikrokanalplatten-Detektor sein oder er kann ein schneller Sekundaremissions-Multiplier sein oder er kann ein anderer geeigneter Typ von Detektor sein. Der Detektor 310 erzeugt jedes Mal, wenn er von einem Ion getroffen wird, einen schnellen Spannungspuls. Dieser Spannungspuls geht typischerweise Ober einen Entkopplungs-Kondensator an eine externe Verstärker- und Signalverarbeitungs-Elektronik, und schließlich an einen Computer zur Speicherung, weiteren Bearbeitung und Anzeige.
Eine Ausführungsform eines Reflektrons ist detaillierter in 4 gezeigt. Wie in 4 dargestellt, weist das Reflektron 400 eine Endplatte 403 auf, die einen Deckel für ein inneres Keramik-rohr 401 bildet, welches wiederum in ein äußeres Keramikrohr 402 eingepasst ist. Eine das äußere Keramikrohr 402 eingebettet. Die Endplatte 403 kann ein metallischer Leiter sein, wie beispielsweise Edelstahl. Sie wird auf Masse gehalten. Ein Eingangsgitter 404 ist an einer Gitterbefestigungsringelektrode 405 befestigt. Die Gitterbefestigungsringelektrode 405 kann aus einem metallischen Leiter wie Edelstahl gefertigt sein. Der Gitterbefestigungsring 405 und das Gitter 404 werden durch eine Spannungsversorgung 420 auf einer Hochspannung gehalten. Die Polarität der Spannung, die an Gitterbefestigungsring 405 und Eingangsgitter 404 angelegt wird, ist ausgewählt, um die Ionen abzustoßen, nachdem sie sich durch das Eingangsgitter 404 hindurch und in den Raum im Reflektron 400 zwischen Eingangsgitter 404 und Endplatte 403 bewegen. Zum Beispiel könnte die Hochspannungsversorgung 420 eine negative Spannung von mehreren Kilovolt, z.B. ungefähr -5 kV, an die Gitterbefestigungsringelektrode 405 anlegen, wenn positive Ionen detektiert werden, und sie würde eine positive Spannung ähnlicher Größe anlegen, falls negative Ionen detektiert werden.
Weil das innere Keramikrohr 401 bei der erhöhten Temperatur als Widerstand wirkt anstatt ein Isolator zu sein, wird jedwede Ladung, die auf der inneren Oberfläche des inneren Keramikrohrs 401 landet, abgeleitet. Dies verhindert den Aufbau einer Raumladung, welche andernfalls zu Unregelmäßigkeiten im elektrischen Feld innerhalb des inneren Keramikrohrs 401 führen würde. Da das innere Keramikrohr 401 bei der erhöhten Temperatur einen Widerstand aufweist, erzeugt das Anlegen eines elektrischen Potenzials durch die Hochspannungsversorgung 420 einen gleichförmigen Potenzial-Gradienten entlang seiner Länge. Dieser gleichförmige Potenzial-Gradient entlang der Länge des inneren Keramikrohrs 401, in Verbindung mit dem Gitter 404 und der Endplatte 403, erzeugt ein gleichförmiges elektrisches Feld innerhalb des Reflektrons 400.
Eine weitere Ausführungsform eines Reflektrons ist in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform weist das Reflektron 500 eine Endplatte 503 auf, die einen Deckel für ein inneres Rohr 501 bildet, das aus sich abwechselnden Metallringelektroden 507 und Keramikringen 508 gebildet ist. Die Metallringelektroden 507 sind typischerweise 0,02 bis 1,0 mm dick und die Keramikringe 508 sind typischerweise 1,0 bis 4,0 mm dick. Die Metallringelektroden 507 können ebenfalls einen etwas kleineren inneren Durchmesser als die Keramikringe 508 haben. Das Reflektron würde typischerweise wenigstens fünf Sätze von Metallringelektroden und Keramik-Scheiben aufweisen. Das innere Rohr 501 passt in ein äußeres Keramikrohr 502, welches eine eingebettete Heizung 506 aufweist. Das innere Rohr 501 weist eine Gitterbefestigungsringelektrode 505 auf, die um sein Ausgangsende herum angebracht ist. Die Endplatte 503 kann ein metallischer Leiter wie Edelstahl sein. Sie wird auf Masse gehalten. Ein Eingangsgitter 504 ist an der Gitterbefestigungselektrode 505 befestigt. Eingangsgitter 504 und Gitterbefestigungselektrode 505 werden durch eine Spannungsversorgung 520 auf einer Hochspannung gehalten. Die Polarität der Spannung, die an den Gitterbefestigungsring 505 und das Eingangsgitter 504 angelegt wird, ist ausgewählt, um die Ionen abzustoßen, nachdem sich durch das Eingangsgitter 504 hindurch bewegt haben und in den Raum im Reflektron 500 zwischen Eingangsgitter 504 und Endplatte 503 hinein. Beispielsweise würde die Hochspannungs-Versorgung 520 eine negative Spannung von z.B. -5 kV an die Ringelektrode 505 des Eingangsendes anlegen, falls positive Ionen detektiert werden, und sie würde eine negative Spannung ähnlicher Größe anlegen, falls negative Ionen detektiert werden.
Zusätzlich weist diese Ausführungsform ein Widerstandsnetzwerk 521 auf, das über elektrische Verbindungen 522 elektrisch mit den Metallringelektroden 507 verbunden ist, welche zusammen mit den Keramikringen 508 das innere Rohr 501 bilden. Sämtliche Widerstände im Widerstandsnetzwerk 521 haben den gleichen Wert. Wie gezeigt, verteilen sie die Spannung von der Hochspannungs-Gleichspannungsversorgung 520 auf die Metallringelektroden in zunehmenden Schritten stufenförmig abwärts (oder aufwärts) von der Maximalspannung an der Ringelektrode 505 des Eingangsendes, welche sich beispielsweise bei 2 kV oder 5 kV oder einer anderen Spannung innerhalb dieses Bereichs befinden kann, abwärts (oder aufwärts) zu Massepotenzial bei der Endplatte 503.
Die Keramikringe 508 wirken bei der erhöhten Temperatur eher als Widerstand, als Isolatoren zu sein, und die Metallringelektroden 507 sind leitfähig. Daher zerstreut sich jedwede Ladung, die auf der inneren Oberfläche des inneren Keramikrohrs 501 landet. Dies verhindert den Aufbau einer Raumladung auf der inneren Oberfläche des inneren Keramikrohrs 501.
Das Eingangsgitter 404 in 4 und das Eingangsgitter 504 in 5 können einen Satz äquidistanter feiner paralleler Drähte aufweisen, wie in dem in 2A gezeigten Beispiel, oder können zwei einander orthogonal kreuzende Sätze von parallelen Drähten aufweisen, wie in dem in 2B gezeigten Beispiel. In den Ausführungsformen gemäß 5 sind die Drähte straff gespannt und werden von der Befestigungs-Ringelektrode 505 getragen.
Die Verwendung eines ersten Keramikmaterials, wie stabilisiertes Zirkonium, in Kombination mit einem zweiten Keramikmaterial, wie Aluminiumnitrid, bei der Konstruktion der oben in den 1-5 gezeigten Ausführungsformen hat viele Vorteile. Zirkonium beispielsweise lässt sich leicht bis zu einer hohen mechanischen Toleranz maschinell bearbeiten und ist wesentlich fester als Glas. Aluminiumnitrid beispielsweise kann im Kontakt mit dem Zirkonium verwendet werden, um die Temperatur des Zirkonium zu kontrollieren, ohne die durch die Zirkonium-Elemente erzeugten elektrischen Felder zu beeinflussen. Es bleibt ein guter elektrischer Isolator bei Temperaturen, bei denen Zirkonium als Widerstand wirkt. Das Aluminiumnitrid kann durch eine eingebettete Heizung geheizt werden, wie die in 1A gezeigte Heizung 110, oder durch eine externe Heizung, wie die in 1B gezeigte Heizung 111.
Wenngleich mechanisch komplizierter, können die Strukturen der in 5 gezeigten Ausführungsform jedwede Inhomogenitäten des elektrischen Felds reduzieren, die sich aus Variationen von Wanddicke oder Zusammensetzung des Zirkoniumrohrs ergeben können. Darüber hinaus ist es aufgrund der mechanischen Festigkeit von Keramik optional möglich, das Keramikrohr der Ausführungsform aus 5 als Wandung des Vakuumsystems des Massenspektrometers zu verwenden, anstatt das Reflektron in einem Vakuumsystem einzuschließen, wie in dem Beispiel aus 1A gezeigt.
Zweistufige Reflektrone, die zwei Gitter aufweisen, die zwei Stufen konstanter, Ionen abstoßender elektrischer Felder definieren, und gitterlose Reflektrone können in ähnlicher Weise von der oben beschriebenen Konstruktion mit zwei konzentrischen Zylindern profitieren. Außerdem kann der Ringstapel des Pusher-Bereichs ebenfalls unter Verwendung der Konstruktion mit zwei konzentrischen Zylindern realisiert werden.
Ausführungsformen des ionenoptischen Elements können ebenfalls als Anionen-Mobilitäts-Driftröhre in Ionenmobilitäts-Spektrometern verwendet werden. In einem Ionenmobilitäts-Spektrometer werden zu analysierende Ionen durch statische elektrische Felder in Richtung des Eingangsgitters der lonenmobilitäts-Driftröhre getrieben. Die Ionen-Driftröhre ist mit einem neutralen Hintergrundgas gefüllt, das sich bei Atmosphärendruck oder einem anderen Druck befinden kann, so dass Analyt-Ionen durch Kollisionen mit dem Hintergrundgas ständig kinetische Energie verlieren. Weil die Mobilität eines Analyt-Ions durch das Hintergrundgas eine Funktion seiner Größe und Form ist, können verschiedene Analyt-Ionen den Detektorteil des Ionenmobilitäts-Spektrometers nach verschiedenen Laufzeiten durch die lonenmobilitäts-Driftröhre erreichen. Diese unterschiedlichen Laufzeiten können genutzt werden, um die Analyt-Ionen zu charakterisieren und/oder zu identifizieren.
Ein Beispiel einer lonenmobilitäts-Driftröhre, die in einem Ionenmobilitäts-Spektrometer verwendet werden kann, ist schematisch in 6 gezeigt. Ein lonenmobilitäts-Spektrometer 650 weist eine lonenquelle 651 in einer Kammer 652 auf, welche Ionen erzeugt, die durch ein Eingangsgitter 605 in eine Kammer 612 in der lonenmobilitäts-Driftröhre 600 eintreten. Die lonenmobilitäts-Driftröhre 600 weist ein inneres Keramikrohr 601 auf, das aus dem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und ein äußeres Keramikrohr 602, das aus dem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist. Das äußere Keramikrohr 602 umfasst eine eingebettete elektrische Heizung 607. Es weist ein Eingangsgitter 605 an dem Ende der lonenmobilitäts-Driftröhre auf, das der Ionenquelle am nächsten liegt, und ein Ausgangsgitter 606 an der entgegengesetzten Seite. Das Eingangsgitter 605 ist auf einer Gitterbefestigung 614 am Eingangsende des äußeren Keramikrohrs 602 befestigt. Ein Beispiel eines Eingangsgitters wird nachfolgend detaillierter mit Bezug auf 7 gezeigt und beschrieben. Ein Ausgangsgitter 606 ist an einer Gitterbefestigung 613 am Ausgangsende des äußeren Keramikrohrs 602 befestigt. Die lonenmobilitäts-Driftröhre 600 weist weiterhin einen eingangsseitigen Verbindungsring 604 an der Eingangsseite der Ionenmobilitäts-Driftröhre auf und einen ausgangsseitigen Verbindungsring 603 an der Ausgangsseite der Driftröhre.
Während sich die Ionen durch die Kammer 652 bewegen und in die Kammer 612 eintreten, können Sie mit einem neutralen Hintergrundgas gemischt werden, das beispielsweise durch einen Anschluss 653 eingeführt wird. Die Ionen werden durch ein statisches elektrisches Feld zwischen der lonenquelle 651 und dem Eingangsgitter 605 in Richtung des Eingangsgitters 605 der Ionenmobilitäts-Driftröhre 600 gelenkt. Eine Spannungsversorgung 620 erzeugt eine Spannung V₁ zwischen dem eingangsseitigen Verbindungsring 604 und dem ausgangsseitigen Verbindungsring 603. Typischerweise liegt V₁ in der Größenordnung von mehreren kV; z.B. kann es etwa 3kV betragen, wenn die Kammer 312 eine Länge von ungefähr 10 cm hat. Ein durch die Spannung V₁ erzeugtes elektrisches Feld treibt die Ionen in Richtung des Ausgangsendes der lonenmobilitäts-Driftröhre 600. Die Verbindungsringe 603 und 604 stellen sicher, dass die Spannung von der Spannungsversorgung 620 gleichmäßig um das innere Keramikrohr herum anliegt, so dass der Stromfluss durch die Wandungen des inneren Keramikrohrs 601 gleichmäßig um den Umfang des inneren Keramikrohrs 601 verteilt ist.
Das Eingangsgitter 605 kann durch Spannungsquellen 621 und 622 gesteuert werden, als ein Shutter zu fungieren, wie nachfolgend erläutert wird. Dies erlaubt Ionen, zu exakten Zeiten in die lonenmobilitäts-Driftröhre 600 hineingelassen zu werden, so dass das Spektrometer die Driftzeiten der Ionen innerhalb der Ionenmobilitäts-Röhre 600 messen kann. Diese Konstruktion wird nachfolgend mit Bezug auf 7 beschrieben.
Während die Ionen durch die Kammer 612 driften, unterliegen sie einem Gegenstrom von reinem Gas, das über einen Anschluss 654 in die Kammer 612 eingeführt wird und das durch einen Austrittsanschluss 655 austritt. Dieser Gegenstrom von reinem Gas dämpft die Vorwärtsbewegung der Ionen, und zwar in einem Maße, das von der Mobilität der Ionen in dem Gegenstrom-Gas abhängt. Da unterschiedliche Spezies unterschiedliche Ionenmobilitäten aufweisen können, trennen sich die Ionen verschiedener Spezies, während sie durch die lonenmobilitäts-Driftröhre 600 driften, und kommen beim Kollektor 610 zu unterschiedlichen Zeiten an, relativ zu dem Zeitpunkt, zu dem das Eingangsgitter 605 geöffnet wurde. Die Ankunft von Ionen beim Kollektor 610 wird als elektrischer Strom detektiert, der durch ein Elektrometer 611 gemessen wird.
Im Betrieb erhöhen das äußere Keramikrohr 602 und seine eingebettete Heizung 607 die Temperatur des inneren Keramikrohrs 601. Wenn das innere Keramikrohr 601 eine Temperatur erreicht, bei der es hinreichend leitend wird, führt das angelegte elektrische Potenzial zu einem stabilen Strom durch die Wandungen des inneren Keramikrohrs. Da die Wandungsdicke des inneren Keramikrohrs 601 gleichförmig ist, erzeugt dies einen gleichförmigen Spannungsabfall entlang der Länge des inneren Keramikrohrs 601. Dieser gleichförmige Spannungsabfall erzeugt ein konstantes elektrisches Feld innerhalb des inneren Keramikrohrs 601. Das Ausgangsgitter 606 dient dazu, jedwede Randeffekte zu eliminieren, die Ungleichmäßigkeiten im Feld hervorrufen würden. Das Eingangsgitter 605 kann für eine kurze Zeit, typischerweise 1 ms oder weniger, in einen geöffneten Zustand gepulst werden und die eingelassenen Ionen bewegen sich dann durch das innere Keramikrohr 601 und treten durch das Ausgangsgitter 606 aus. Sie können dann durch Kollektorplatte 610 und Elektrometer 611 detektiert und gemessen werden, so wie oben beschrieben.
Ein übliches Design für ein Eingangsgitter ist ein Bradbury-Nielson-Shutter-Gitter. Wie in 7 gezeigt, besteht dieses Shutter-Gitter 700 aus dünnen parallelen Drähten, die auf einem isolierenden Ring 701 befestigt sind. Das Shutter-Gitter 700 weist einen ersten Satz paralleler Drähte 702 und einen zweiten Satz paralleler Drähte 703 auf. Die parallelen Drähte in den zwei Sätzen erstrecken sich in der gleichen Richtung und sind verschachtelt, wie in 7 gezeigt. Wenn das gleiche elektrische Potenzial sowohl an den Satz von parallelen Drähten 702 als auch an den Satz von parallelen Drähten 703 angelegt wird, ist das Shutter-Gitter 700 geöffnet, d.h. es wird Ionen hindurchtreten lassen. Shutter-Gitter 700 wird durch Anlegen eines zusätzlichen Potenzials zu dem öffnenden Potenzial geschlossen. Für den ersten Satz von parallelen Drähten 702 wird das zusätzliche Potenzial zum öffnenden Potenzial addiert; für den zweiten Satz von parallelen Drähten 703 wird es vom öffnenden Potenzial subtrahiert. In diesem Fall werden die Ionen, anstatt durch das Gitter hindurch zu treten, von den Drähten angezogen und gelangen nicht durch das Gitter.
In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist das Eingangsende des inneren Keramikrohrs mit einem dünnen Metallfilm 609 beschichtet und das Ausgangsende des inneren Keramikrohrs ist mit einem dünnen Metallfilm 608 beschichtet. Diese Metallfilme stellen sicher, dass es eine gleichmäßige Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangsgittern und den Enden des inneren Keramikrohrs gibt.
In einer anderen Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, das elektrische Feld innerhalb des inneren Keramikrohrs zu variieren, indem dessen Wandungsdicke variiert wird. Dies führt zu einem nicht-gleichförmigen Spannungsabfall entlang der Länge des Rohrs, was wiederum ein nichtgleichförmiges elektrisches Feld erzeugt.
8A ist ein schematisches Diagramm eines ionenoptischen Elements 800, das zusammen mit einem RF-Feld als Ionenführung, Kollisionszelle oder Reaktionszelle in einem Massenspektrometer verwendet werden kann. Wenn es als Ionenführung verwendet wird, würde es typischerweise in einer Vakuum-Zwischenstufe betrieben werden und würde die Ionen führen, während sie sich durch diese Stufe des Massenspektrometers bewegen. Wenn es als Kollisionszelle verwendet wird, ist das Innere des ionenoptischen Elements mit einem neutralen, nicht reaktiven Kollisionsgas wie He-, N₂- oder ArGas gefüllt, und zwar bei einem Druck, der so ausgewählt ist, dass Ionen, die sich durch das ionenoptische Element 800 bewegen, fragmentieren, wenn sie mit den Molekülen des neutralen Kollisionsgases kollidieren. Wenn es als Reaktionszelle verwendet wird, ist das Innere des ionenoptischen Elements mit einem Gas wie Ammoniak, Methan, Sauerstoff oder Wasserstoff gefüllt, welches unterschiedlich mit unterschiedlichen Ionen reagiert, um Reaktionsprodukte zu erzeugen, die isobare Interferenzen reduzieren oder eliminieren. Durch bekannte Modifikationen kann es ebenfalls für Reaktionen wie Elektronen-einfang-Dissoziation oder Elektronentransfer-Dissoziation verwendet werden.
Das ionenoptische Element 800 weist ein inneres Keramikrohr (nicht sichtbar in 8A) auf, das aus dem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, und zwar innerhalb eines äußeren Keramikrohrs 801, das aus dem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist. Das ionenoptische Element 800 weist eine Eingangsplatte 803 mit einer Öffnung 805 in ihrem Zentrum auf. Die Eingangsplatte 803 kann aus einem elektrisch leitenden Material wie Edelstahl gefertigt sein. Eine ähnliche Platte ist am Ausgangsende des ionenoptischen Elements befestigt. Elektroden 802 können verwendet werden, um ein RF-Signal an das ionenoptische Element 800 anzulegen, wie nachfolgend mit Bezug auf 8B beschrieben wird. Wenn das ionenoptische Element als Kollisions- oder Reaktionszelle verwendet wird, kann ein Anschluss 806 verwendet werden, um das Kollisions- oder Reaktionsgas in das innere Keramikrohr einzubringen. Anschluss 807 kann an einen Druckmesser angeschlossen sein, der verwendet werden kann, um den Druck innerhalb des inneren Keramikrohrs zu messen.
8B ist eine Endansicht des ionenoptischen Elements 800. Sie zeigt eine RF-Quelle 820, die ein Radiofrequenz-Signal an Elektroden 825 und 826 anlegt, die am äußeren Keramikrohr befestigt sind. Eine Polarität der RF-Quelle 820 wird Ober einen Kondensator 821 und eine elektrische Verbindung 822 an ein erstes Paar gegenüberliegender Elektroden 825 angelegt und die entgegengesetzte Polarität wird Ober einen Kondensator 827 und eine elektrische Verbindung 823 an ein zweites Paar gegenüberliegender Elektroden 826 angelegt. Die durch das RF-Signal an den Elektroden 825 und 826 erzeugten Felder dienen dazu, die Ionen radial einzusperren.
8C ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des ionenoptischen Elements 800 entlang 8C-8C in 8A. 8D ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des ionenoptischen Elements 800 entlang 8D-8D in 8A. Wie in 8C und 8D gezeigt, weist das äußere Keramikrohr 801 eine eingebettete elektrische Heizung 808 auf. 8C und 8D zeigen auch ein inneres Keramikrohr 804 innerhalb des äußeren Keramikrohrs 801. Eine Gleichspannungsversorgung 840 legt mittels elektrischer Verbindungen 841 eine Gleichspannung Ober die Lange des inneren Keramik-rohrs 804 von der Eingangsscheibe 803 zur Ausgangsscheibe 834 an. Die Eingangsscheibe 803 und die Ausgangsscheibe 834 sind aus einem leitfähigen Material wie Edelstahl gefertigt. Typischerweise legt die Gleichspannungsversorgung 840 ungefähr 50-150 Volt an die elektrischen Verbindungen 841 an.
Ionen aus vorgelagerten Stufen des Massenspektrometers treten in das ionenoptische Element 800 durch das Loch 805 in der Eingangsplatte 803 ein und bewegen sich durch die innere Kammer 830 des inneren Keramikrohrs 804. Wenn das ionenoptische Element 800 als Kollisionszelle verwendet wird, verlassen Fragmente dieser Ionen die Kammer 830 durch das Loch 835 in der Ausgangsplatte 834. Wenn das ionenoptische Element 800 als Reaktionszelle verwendet wird, verlassen jedwede Reaktionsprodukte die Kammer 830 durch das Loch 835 in der Ausgangsplatte 834. Das Kollisions- oder Reaktionsgas wird durch einen Anschluss 806 in die innere Kammer 830 eingeführt. Falls das ionenoptische Element 800 als Ionenführung verwendet wird, muss es keinen Anschluss 806 oder Anschluss 807 aufweisen, weil kein Kollisionsgas oder Reaktionsgas in die Kammer 830 eingeführt wird.
Die eingebettete Heizung 808 wird verwendet, um die Temperatur des inneren Keramikrohrs auf eine Temperatur zu erhöhen, bei welcher der Widerstand des inneren Keramikrohrs derart ist, dass (1) ein Strom entlang der Länge des inneren Keramikrohrs 804 fließt und (2) das RF-Feld im Wesentlichen durch die Keramikrohre hindurch in die Kammer 830 eindringt. Dieser Effekt wird in den Patenten US 3 937 954 A und US 4 013 887 A beschrieben, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Für Yttria-stabilisiertes Zirkonium mit ungefähr 8% Yttria-Komponente könnte eine typische Betriebstemperatur für RF-Frequenzen von 0,5 MHz bis 3 MHz im Bereich von 100°C bis 150°C liegen.
Die Gleichspannungsversorgung 840 wird benutzt, um einen axiales Gleichspannungsfeld zu erzeugen, das die Bewegung der Ionen durch die Kammer 830 aufrecht erhält, wie in 8D gezeigt. In einigen Fällen kann das innere Keramikrohr außerdem Teil der Wandung des Vakuumsystems des Massenspektrometers sein. Das RF-Feld wird unter Verwendung von Elektroden 802 (in 8B als Elektrodenpaar 825 und Elektrodenpaar 826 bezeichnet) erzeugt, wie in einer konventionellen Nur-RF-Quadrupol-Kollisionszelle, wie der in Patent US 5 847 386 A beschriebenen Kollisionszelle.
9A ist ein perspektivisches schematisches Diagramm eines ionenoptischen Elements 900 mit einer Reihe von umlaufenden Ringelektroden 902, die ein äußeres Keramikrohr 901 umgeben. Diese Ausführungsform wird typischerweise wenigstens fünf umlaufende Ringelektroden aufweisen und vorzugsweise einige mehr als fünf umlaufende Ringelektroden aufweisen. Das ionenoptische Element 900 weist eine Eingangsplatte 903 mit einer Öffnung 905 im Zentrum auf, und eine Ausgangsplatte 906 mit einer Öffnung 907 im Zentrum. Ein Anschluss 921 kann verwendet werden, um ein Kollisions- oder Reaktionsgas in die innere Kammer 930 innerhalb des inneren Keramikrohrs 904 einzubringen. Die innere Kammer 930 wird durch die innere Oberfläche des inneren Keramikrohrs 904, die Eingangsplatte 903 und die Ausgangsplatte 906 begrenzt. Ein Anschluss 922 kann verwendet werden, um einen Druckmesser zu befestigen, um den Druck innerhalb des inneren Keramikrohrs zu messen. Wie in dem in 9B gezeigten schematischen Querschnitt dargestellt, steht das innere Keramikrohr 904 in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr 901. Das äußere Keramikrohr 901 weist eine eingebettete elektrische Heizung 908 auf. Eine Spannungsversorgung 940 legt eine Gleichspannung zwischen Eingangsplatte 903 und Ausgangsplatte 906 an. Eingangsplatte 903 und Ausgangsplatte 906 können aus einem leitfähigen Material wie Edelstahl gefertigt sein. Das axiale elektrische Feld, das durch die Gleichspannungsversorgung 940 zwischen der Eingangsplatte 903 und der Ausgangsplatte 906 erzeugt wird, hält die Ionen in der Kammer 930 in axialer Bewegung vom Eingangsloch 905 zum Ausgangsloch 907.
Umlaufende Ringelektroden 902 und 912 sind elektrisch mit der RF-Quelle 950 verbunden. Sie führen die Ionen durch das ionenoptische Element 900, indem sie die Ionen radial einsperren. Die RF-Quelle 950 ist über einen Kondensator 951 und elektrische Verbindungen 952 elektrisch mit den umlaufenden Elektroden 902 verbunden. Die RF-Quelle 950 ist über einen Kondensator 953 und elektrische Verbindungen 954 elektrisch mit den umlaufenden Elektroden 912 verbunden.
10A und 10B sind schematische Diagramme einer weiteren Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, die umlaufende Elektroden verwendet. Diese Ausführungsform ist im Allgemeinen der in 9 gezeigten Ausführungsform ähnlich, aber in diesem Fall sind die umlaufenden Elektroden 1002 und 1012 zwischen dem äußeren Keramikrohr 1001 und dem inneren Keramikrohr 1004 angeordnet. Diese Ausführungsform wird typischerweise wenigstens fünf umlaufende Ringelektroden aufweisen und vorzugsweise einige mehr als fünf umlaufende Ringelektroden aufweisen. Weil die umlaufenden Ringelektroden 1002 und 1012 an die RF-Quelle AC-gekoppelt sind, können Sie mit dem inneren Keramikrohr in Kontakt stehen, ohne die Ausbildung des axialen Gleichspannungs-Gradienten durch die Spannungsversorgung 1040 über die Länge des inneren Keramikrohrs zu beeinflussen. Das RF-Signal von der RF-Quelle 1050 wird bei einer ersten Polarität über Kondensator 1051 und elektrische Verbindungen 1052 an den ersten Satz von umlaufenden Elektroden 1002 angelegt, und bei einer zweiten Polarität (die 180° phasenverschoben zur ersten Polarität ist) über Kondensator 1053 und elektrische Verbindungen 1054 an den zweiten Satz von umlaufenden Elektroden 1012.
Ansonsten ist die Ausführungsform von 10A und 10B im Allgemeinen ähnlich der Ausführungsform aus 9A und 9B. Diese Ausführungsform weist ein aus dem zweiten Keramikmaterial gefertigtes äußeres Keramikrohr 1001 auf. Es weist ebenfalls ein inneres Keramikrohr 1004 auf, das konzentrisch innerhalb und in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr 1001 angeordnet ist. Das innere Keramikrohr 1004 weist eine Eingangsplatte 1003 auf, die in ihrem Zentrum eine Öffnung 1005 hat. Es weist eine Ausgangsplatte 1006 mit einer Öffnung 1007 in ihrem Zentrum auf. Die Eingangsplatte 1003 und die Ausgangsplatte 1006 können aus einem leitfähigen Material wie Edelstahl gefertigt sein. Das äußere Keramikrohr 1001 weist eine eingebettete elektrische Heizung 1008 auf, die verwendet werden kann, um das äußere Keramikrohr 1001 und das innere Keramikrohr 1004 welches aus dem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, auf eine erhöhte Temperatur zu heizen. Die innere Oberfläche des inneren Keramikrohrs 1004, die Eingangsplatte 1003 und die Ausgangsplatte 1006 bilden die Begrenzungen einer inneren Kammer 1030. Bei der erhöhten Temperatur ist der Widerstand des ersten Keramikmaterials derart, dass das innere Keramikrohr von einem Strom von seinem Eingangsende zu seinem Ausgangsende durchflossen wird, und zwar als Ergebnis der von der Gleichspannungsversorgung 1040 angelegten Gleichspannung. Allerdings ist dieser Widerstand immer noch hoch genug, um nicht zu verhindern, dass das durch Elektroden 1002 und/oder 1012 erzeugte RF-Feld im Wesentlichen durch die Wandungen des inneren Keramikrohrs 1004 und in die innere Kammer 1030 eindringt, so dass es effektiv Ionen durch die innere Kammer 1030 führt. Für Yttria-stabilisiertes Zirkonium mit ungefähr 8% Yttria-Komponente könnte eine typische Betriebstemperatur im Bereich von 10°C bis 150°C für RF-Frequenzen von 0,5 MHz bis 3 MHz liegen.
Bei Verwendung als Kollisionszelle oder als Reaktionszelle hat das ionenoptische Element 1000 einen Zulauf-Anschluss 1021 zum Einspritzen des Kollisions- oder Reaktionsgases. Optional kann es einen zusätzlichen Anschluss 1022 aufweisen, der beispielsweise mit einem Druckmesser verbunden sein kann.
11A und 11B sind schematische Diagramme einer weiteren Ausführungsform eines ionenoptischen Elements, die umlaufende Elektroden verwendet. Diese Ausführungsform ist im Allgemeinen der in 10A und 10B gezeigten Ausführungsform ähnlich, aber in diesem Fall sind die umlaufenden Elektroden 1102 und 1112 in das innere Keramikrohr 1104 eingebettet. Diese Ausführungsform wird typischerweise wenigstens fünf umlaufende Ringelektroden aufweisen und vorzugsweise einige mehr als fünf umlaufende Ringelektroden aufweisen. Da die umlaufenden Ringelektroden 1102 und 1112 an die RF-Quelle AC-gekoppelt sind, können sie mit dem inneren Keramikrohr in Kontakt stehen, ohne die Ausbildung des axialen Gleichspannungs-Gradienten durch die Spannungsversorgung 1040 über die Länge des inneren Keramikrohrs zu beeinflussen. Das RF-Signal von der RF-Quelle 1150 wird bei einer ersten Polarität über einen Kondensator 1151 und elektrische Verbindungen 1152 an den ersten Satz von umlaufenden Elektroden 1102 angelegt, und über einen Kondensator 1153 und elektrische Verbindungen 1154 bei einer zweiten Polarität (welche 180° phasenverschoben zur ersten Polarität ist) an den zweiten Satz von umlaufenden Elektroden 1112.
Ansonsten ist die Ausführungsform von 11A und 11B im Allgemeinen den Ausführungsformen aus 9A und 9B sowie 10A und 10B ähnlich. Diese Ausführungsform weist ein äußeres Keramikrohr auf, das aus dem zweiten Keramikmaterial 1101 gefertigt ist, und ein inneres Keramikrohr 1104, das konzentrisch innerhalb und in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr 1101 angeordnet ist. Das innere Keramikrohr 1104 weist eine Eingangsplatte 1103 an seinem Eingangsende auf, die eine Öffnung 1105 in ihrem Zentrum aufweist. Es weist an seinem Ausgangsende eine Ausgangsplatte 1106 mit einer Öffnung 1107 in ihrem Zentrum auf. Die Eingangsplatte 1103 und die Ausgangsplatte 1106 sind aus einem leitfähigen Material wie Edelstahl gefertigt.
Das äußere Keramikrohr 1101 weist eine eingebettete elektrische Heizung 1108 auf, die verwendet werden kann, um das äußere Keramikrohr 1101 (gefertigt aus dem zweiten Keramikmaterial) und das innere Keramikrohr 1104 (gefertigt aus dem ersten Keramikmaterial) auf eine erhöhte Temperatur zu heizen. Die innere Oberfläche des inneren Keramikrohrs 1104, die Eingangsplatte 1103 und die Ausgangsplatte 1106 bilden die Begrenzungen einer inneren Kammer 1130. Bei der erhöhten Temperatur ist der Widerstand des ersten Keramikmaterials derart, dass das innere Keramikrohr von einem Strom von seinem Eingangsende zu seinem Ausgangsende durchflossen wird, und zwar als Ergebnis der von der Spannungsversorgung 1140 angelegten Gleichspannung. Allerdings ist dieser Widerstand immer noch hoch genug, um nicht zu verhindern, dass das durch Elektroden 1102 und 1112 erzeugte RF-Feld durch die Wandungen des inneren Keramikrohrs 1104 und in die innere Kammer 1130 eindringt.
Bei Verwendung als Kollisionszelle oder als Reaktionszelle hat das ionenoptische Element 1100 einen Zulauf-Anschluss 1121 zum Einspritzen von Kollisions- oder Reaktionsgas. Optional kann es einen zusätzlichen Anschluss 1122 aufweisen, der beispielsweise mit einem Druckmesser verbunden sein kann.
Die in den 8A bis 11C beschriebenen Strukturen können ebenfalls, mit zusätzlichen elektrischen Spannungsversorgungen, als Travelling-Wave-Ionenführungen verwendet werden, wie beispielsweise im Patent US 6 812 453 B2 beschrieben, auf das hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird. Auch sind diese Strukturen nicht auf lineare Geometrien beschränkt. Zum Beispiel können diese Strukturen in einem MS/MS-Instrument mit einer Kollisionszelle verwendet werden, die einen Teil eines Kreisbogens bildet und eine kompaktere Geometrie für das gesamte Instrument ermöglicht. Ein solches Instrument wird beispielsweise im Patent US 6 576 897 B1 beschrieben, auf das hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird. Diese Strukturen können ebenfalls in Instrumenten mit Spiral-Geometrien verwendet werden, wie die Strukturen mit Spiral-Geometrien, die im Patent US 8 552 366 B2 beschrieben werden, auf das hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Die Konfiguration der umlaufenden Elektroden in den Ausführungsformen aus 10A und 10B sowie 11A und 11B kann dazu führen, dass bei einer gegebenen RF-Spannung ein stärkeres RF-Feld innerhalb der Rohrs vorhanden ist als bei Ausführungsformen, bei denen die Elektroden das äußere Keramikrohr umgeben, so wie die Ausführungsformen aus 9A und 9B. Diese Elektroden können beispielsweise aus Edelstahl, Silber, Gold oder Aluminium gefertigt sein.
So wie hier verwendet, soll „im Wesentlichen ausgerichtet“ ausgerichtet innerhalb von Standard-Konstruktionstoleranzen im Bereich der Massenspektroskopie bedeuten; „im Wesentlichen gleichförmig“ in Bezug auf ein elektrisches Feld soll bedeuten hinreichend gleichförmig, um Ionen in Richtung des Ausgangsendes oder des entgegengesetzten Endes des ionenoptischen Elements zu lenken; und „durchdringt im Wesentlichen“ soll bedeuten durchdringt im hinreichenden Mage, um die Ionen effektiv durch das ionenoptische Element zu führen.

Claims

lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900), umfassend: ein äußeres Keramikrohr (102, 202), das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist; ein inneres Keramikrohr (101, 201), das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, innerhalb und konzentrisch zu dem äußeren Keramikrohr (102, 202), wobei das innere Keramikrohr (101, 201) eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs (102, 202) eingepasst ist und in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr (102, 202) steht; eine elektrische Heizung (110), die dazu hergerichtet ist, das äußere Keramikrohr (102, 202) zu heizen; ein erstes leitfähiges Element (107) an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201); eine Gleichspannungsversorgung (120), die eine Gleichspannung zwischen dem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) und einem entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201) anlegt, wobei das erste Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und wobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und wobei der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, das ferner eine eingangsseitige Ringelektrode (104) umfasst, die am Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) befestigt ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 3, das ferner eine entgegengesetzte endseitige Ringelektrode (106) umfasst, die am entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201) befestigt ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, das ferner ein zweites leitfähiges Element (108) am entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201) umfasst.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei der elektrische Widerstand des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der elektrische Widerstand des ersten Keramikmaterials.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei das erste Keramikmaterial entweder Zirkonium oder ein gemischtes Zirkonium-Material ist oder wobei das erste Keramikmaterial ein mit Yttria vermischtes Zirkonium-Material ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei das zweite Keramikmaterial entweder Aluminiumnitrid oder ein gesinterter Kompositkörper aus Aluminiumnitrid und Bornitrid ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei bei Raumtemperatur das zweite Keramikmaterial einen elektrischen Widerstand oberhalb von ungefähr 10¹² Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 70 W/(m*K) aufweist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei das erste Keramikmaterial einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur oberhalb von ungefähr 10⁶ Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 2 W/(m*K) aufweist.
Massenspektrometer (300), umfassend: eine lonenführung (306) in einer ersten Kammer (305), die dazu hergerichtet ist, Ionen in Richtung auf eine Pusher-Platte (308) einer zweiten Kammer (307) zu lenken; einen Stapel von Ringelektroden (309) innerhalb der zweiten Kammer (307), wobei die Pusher-Platte (308) dazu hergerichtet ist, auf eine Hochspannung bezüglich einer ersten Ringelektrode in dem Stapel von Ringelektroden (309) gepulst zu werden; wobei der Stapel von Ringelektroden (309) und die Pusher-Platte (308) dazu hergerichtet sind, Ionen in eine Flugröhre (311) in der zweiten Kammer (307) und in ein ionenoptisches Element (100, 200, 800, 900) innerhalb der zweiten Kammer (307) zu beschleunigen, wobei das ionenoptische Element (100, 200, 800, 900) ein Reflektron (350, 400, 500) ist und umfasst: ein äußeres Keramikrohr (102, 202), das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist; ein inneres Keramikrohr (101, 201), das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, innerhalb des äußeren Keramikrohrs (102, 202), wobei das innere Keramikrohr (101, 201) eng innerhalb des äußeren Keramikrohrs (102, 202) eingepasst ist und in thermischem Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr (102, 202) steht; eine elektrische Heizung (110), die dazu hergerichtet ist, das äußere Keramikrohr (102, 202) zu heizen; eine Gleichspannungsversorgung (120), die eine Gleichspannung zwischen einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) und einem entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201) anlegt, wobei das erste Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und wobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur, der um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur; und ein Eingangsgitter an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) und eine Endplatte an einem entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201), wobei eine Hochspannungs-Versorgung eine Spannung zwischen dem Eingangsgitter und der Endplatte anlegt, so dass die Endplatte in das ionenoptische Element (100, 200, 800, 900) eintretende Ionen abstößt.
Massenspektrometer (300) nach Anspruch 12, wobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, die um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Massenspektrometer (300) nach Anspruch 12, wobei der elektrische Widerstand des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der elektrische Widerstand des ersten Keramikmaterials.
Massenspektrometer (300) nach Anspruch 12, wobei die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: eine Endplatte an einem entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201); wobei die Gleichspannungsversorgung (120) durch eine Polarität gekennzeichnet ist, wobei die Gleichspannungsversorgung (120) eine Gleichspannung zwischen dem ersten leitfähigen Element (107) und der Endplatte anlegt, wobei die Polarität der Gleichspannungsversorgung (120) so ausgewählt ist, dass sie in das ionenoptische Element (100, 200, 800, 900) eintretende Ionen abstößt; wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine eingangsseitige Elektrode, die am Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) befestigt ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 1, wobei das erste leitfähige Element (107) ein Gitter aus parallelen Drähten (251) umfasst, die sich über das erste leitfähige Element (107) erstrecken.
lonenmobilitäts-Driftröhre (600), umfassend: ein äußeres Keramikrohr (602), das aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist; ein inneres Keramikrohr (601), das aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt ist, innerhalb des äußeren Keramikrohrs (602), wobei das innere Keramikrohr (601) in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren Keramikrohr (602) steht; eine elektrische Heizung (110), die dazu hergerichtet ist, das äußere Keramikrohr (602) zu heizen; ein erstes leitfähiges Element (107), das an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (601) befestigt ist; ein zweites leitfähiges Element (108), das an einem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs (601) befestigt ist; einen Anschluss zum Einbringen eines Gegenstroms von Gas in das innere Keramikrohr (601); eine Gleichspannungsversorgung (120), die eine Gleichspannung zwischen dem ersten leitfähigen Element (107) und dem zweiten leitfähigen Element (108) anlegt, wobei die Gleichspannung ausgewählt ist, um Ionen durch den Gegenstrom von Gas in Richtung auf das Ausgangsende des inneren Keramikrohrs (601) zu treiben; wobei das erste Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, wobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und wobei der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur um zwei Größenordnungen oder mehr höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur.
lonenmobilitäts-Driftröhre (600) nach Anspruch 19, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um ungefähr eine Größenordnung oder mehr höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
lonenmobilitäts-Driftröhre (600) nach Anspruch 19, wobei das erste leitfähige Element (107) ein Shutter-Gitter ist und wobei das Shutter-Gitter einen ersten Satz von parallelen Drähten (251) umfasst, die an einem isolierten Ring befestigt sind, und einen zweiten Satz von parallelen Drähten (252), die, verschachtelt mit dem ersten Satz von parallelen Drähten (251), an dem isolierten Ring befestigt sind, und der erste Satz von parallelen Drähten (251) dazu hergerichtet ist, eine additive zusätzliche Spannung zu erhalten, die zur Gleichspannung addiert wird, und der zweite Satz von parallelen Drähten (252) dazu hergerichtet ist, eine subtraktive zusätzliche Spannung zu erhalten, die von der Gleichspannung subtrahiert wird.
lonenmobilitäts-Driftröhre (600) nach Anspruch 19, wobei der elektrische Widerstand des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der elektrische Widerstand des ersten Keramikmaterials.
Massenspektrometer (300) nach Anspruch 19, wobei die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 19, wobei das zweite Keramikmaterial bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand oberhalb von ungefähr 10¹² Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 70 W/(m*K) aufweist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 19, wobei das erste Keramikmaterial einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur oberhalb von ungefähr 10⁶ Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 2 W/(m*K) aufweist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: eine leitfähige Eingangsplatte an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201), die eine Eingangsöffnung aufweist; ein leitfähige Ausgangsplatte an einem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs (101, 201), die eine Ausgangsöffnung aufweist; ein erstes Paar von gegenüberliegenden Elektroden, die sich im Wesentlichen entlang der Länge des zweiten Keramikrohrs erstrecken und einander gegenüberliegend angeordnet sind; ein zweites Paar von gegenüberliegenden Elektroden, die sich im Wesentlichen entlang der Länge des äußeren Keramikrohrs (102, 202) erstrecken und einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Elektroden des zweiten Paares von gegenüberliegenden Elektroden am Umfang des äußeren Keramikrohrs (102, 202) in Positionen, die sich auf halbem Weg zwischen den Positionen des ersten Paares von gegenüberliegenden Elektroden befinden, angeordnet sind; eine RF-Quelle (820, 950), die in einer ersten Phase kapazitiv an das erste Paar von gegenüberliegenden Elektroden gekoppelt ist und in einer zweiten Phase kapazitiv an das zweite Paar von gegenüberliegenden Elektroden gekoppelt ist, wobei die zweite Phase 180° phasenverschoben zur ersten Phase ist; und einen Anschluss zum Einbringen von entweder Kollisionsgas oder Reaktionsgas in das Innere des inneren Keramikrohrs (101, 201).
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 26, wobei das erste Keramikmaterial entweder Zirkonium oder ein gemischtes Zirkonium-Material ist, und wobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, die um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 26, wobei das erste Keramikmaterial ein mit Yttria gemischtes Zirkonium-Material ist, und wobei das zweite Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, die um wenigstens ungefähr eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 26, wobei die leitfähige Eingangsplatte und die leitfähige Ausgangsplatte aus rostfreiem Stahl gefertigt sind.
Reflektron (350, 400, 500) für ein Massenspektrometer (300), umfassend: ein äußeres Keramikrohr (102, 202), das eine elektrische Heizung (110) umfasst; ein inneres Rohr innerhalb des äußeren Keramikrohrs (102, 202) und in engem thermischen Kontakt mit dem äußeren (102, 202) Keramikrohr, wobei das innere Rohr wenigstens fünf Sätze von sich abwechselnden Metallringelektroden und Keramikringen umfasst; ein Eingangsgitter an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201); eine Endplatte an einem entgegengesetzten Ende (105) des inneren Keramikrohrs (101, 201); eine Hochspannungs-Versorgung, die eine Hochspannung zwischen dem Eingangsgitter und der Endplatte anlegt, wobei die Hochspannung so ausgewählt ist, dass die Endplatte Ionen abstößt, wobei die Keramikringe aus einem ersten Keramikmaterial gefertigt sind, das gekennzeichnet ist durch einen ersten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und durch eine erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und das äußere Keramikrohr (102, 202) aus einem zweiten Keramikmaterial gefertigt ist, das gekennzeichnet ist durch einen zweiten elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur und eine zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur, und wobei der zweite elektrische Widerstand bei Raumtemperatur um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der erste elektrische Widerstand bei Raumtemperatur.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei die Mehrzahl von sich abwechselnden Metallringelektroden und Keramikringen wenigstens fünf sich abwechselnde Metallringelektroden und Keramikringe sind.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei der elektrische Widerstand des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens zwei Größenordnungen höher ist als der elektrische Widerstand des ersten Keramikmaterials.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Keramikmaterials von Raumtemperatur bis 225°C um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Keramikmaterials.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei das erste Keramikmaterial entweder Zirkonium oder ein gemischtes Zirkonium-Material ist, und wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei das zweite Keramikmaterial entweder Aluminiumnitrid oder ein gesinterter Kompositkörper aus Aluminiumnitrid und Bornitrid ist.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei das zweite Keramikmaterial bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand oberhalb von ungefähr 10¹² Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 70 W/(m*K) aufweist.
Reflektron (350, 400, 500) nach Anspruch 30, wobei das erste Keramikmaterial einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur oberhalb von ungefähr 10⁶ Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 2 W/(m*K) aufweist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: die elektrische Heizung (110), die in das äußere Keramikrohr (102, 202) eingebettet ist; eine Eingangsplatte an einem Eingangsende (103) des inneren Keramikrohrs (101, 201) und eine Ausgangsplatte an einem Ausgangsende des inneren Keramikrohrs (101, 201), wobei die Eingangsplatte eine Eingangsöffnung umfasst und die Ausgangsplatte eine Ausgangsöffnung umfasst; einen Anschluss zum Einbringen eines Kollisionsgases oder eines Reaktionsgases in eine innere Kammer, die durch das innere Keramikrohr (101, 201), die Eingangsplatte und die Ausgangsplatte begrenzt wird; eine Gleichspannungsversorgung (120), die bei einer ersten Polarität elektrisch mit der Eingangsplatte verbunden ist und bei einer zweiten Polarität elektrisch mit der Ausgangsplatte verbunden ist; und eine RF-Quelle (820, 950), die kapazitiv an eine Mehrzahl von umlaufenden Ringelektroden gekoppelt ist, wobei die RF-Quelle (820, 950) in einer ersten Phase an eine erste Teilmenge der umlaufenden Ringelektroden gekoppelt ist und in einer zweiten Phase kapazitiv an eine zweite Teilmenge der umlaufenden Ringelektroden gekoppelt ist, wobei die zweite Phase 180° phasenverschoben zur ersten Phase ist, wobei die umlaufenden Ringelektroden ein RF-Feld erzeugen, das im Wesentlichen durch die Wandungen des inneren Keramikrohrs (101, 201) in die innere Kammer dringt.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 39, wobei die umlaufenden Ringelektroden das äußere Rohr umgeben oder die umlaufenden Ringelektroden zwischen dem äußeren Rohr und dem inneren Rohr angeordnet sind, oder die umlaufenden Ringelektroden in das innere Rohr eingebettet sind.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 39, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um wenigstens eine Größenordnung höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 39, wobei die Mehrzahl von umlaufenden Ringelektroden wenigstens fünf umlaufende Ringelektroden sind.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 39, wobei die erste Teilmenge von umlaufenden Ringelektroden mit der zweiten Teilmenge von umlaufenden Ringelektroden verschachtelt ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste Keramikmaterial gekennzeichnet ist durch eine Wärmeleitfähigkeit, die wenigstens ungefähr 30 W/(m*K) beträgt.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 44, wobei das erste Keramikmaterial Siliziumkarbid ist.
lonenoptisches Element (100, 200, 800, 900) nach Anspruch 44, wobei das zweite Keramikmaterial bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand oberhalb von ungefähr 10¹² Ω*cm und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von ungefähr 5 W/(m*K) aufweist.