DE102023205701A1

DE102023205701A1 - Gasrückhaltende ionenführungsvorrichtung mit axialer beschleunigung

Info

Publication number: DE102023205701A1
Application number: DE102023205701.8A
Authority: DE
Inventors: Urs Steiner; Felician Muntean
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2023-06-19
Publication date: 2024-01-04
Also published as: GB202303615D0; CN117334554A; GB2620221A; US20240006172A1; CH719015B1; IE20230133A2; CA3205221A1

Abstract

Eine gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung weist HF-Elektroden auf, die um einen lonenbereich herum verteilt sind und ein HF-Einschlussfeld für die darin befindlichen Ionen erzeugen. Außerdem sind Gleichstrom-Elektroden vorhanden, die sich von einem Eingang der lonenführungsvorrichtung bis zu einem Ausgang erstrecken und ein elektrisches Gleichstrom-Feld erzeugen. Die Gleichstrom-Elektroden sind weiter von der zentralen Achse entfernt als die HF-Elektroden und bilden jeweils eine Gasdichtung zwischen zwei benachbarten HF-Elektroden. Die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden bauen das elektrische Gleichfeld durch Lücken zwischen benachbarten HF-Elektroden auf, und die leitenden Oberflächen haben einen Abstand von der zentralen Achse, der sich über die Länge der lonenführungsvorrichtung ändert, um eine axiale Gleichfeldkomponente zu erzeugen. Die Größe der leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden und die Breite der Lücken zwischen den HF-Elektroden können so gewählt werden, dass die Ionen, die durch die Lücken entweichen, an den leitenden Oberflächen entladen werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Massenspektrometrie und der lonenmobilitätsspektrometrie und insbesondere gasgefüllte lonenführungsvorrichtungen, insbesondere linsenfreie Kollisionszellen für Ionen.
Beschreibung des Standes der Technik
In Analysesystemen, die Massenspektrometrie und/oder lonenmobilitätsspektrometrie verwenden, ist es erforderlich, ein Probenmaterial mit einer lonenquelle zu ionisieren und die erzeugten Ionen zu einem Analyseinstrument zu transportieren. Oft ist es auch wünschenswert, die in der lonenquelle erzeugten Ionen zu modifizieren, indem sie in kleinere Molekülionen fragmentiert werden. Dies kann geschehen, indem die Ionen der Probe in eine Kollisionszelle geleitet werden, in der die Ionen der Probe mit neutralen Gasmolekülen in der Zelle kollidieren können. In der Regel wird ein speziell ausgewähltes Gas wie Argon, Stickstoff, Helium usw. in einen Bereich mit höherem Druck in der Kollisionszelle zugeführt, so dass die Ionen mit Molekülen des zugeführten Gases kollidieren. Die entstehenden Fragment- oder Produkttochterionen verlassen dann die Kollisionszelle und werden in ein lonenanalysegerät geleitet.
In einer solchen Kollisionszelle ist die Anzahl der Kollisionen abhängig vom Gasdruck und der Reaktionszeit, die sich auf die Länge der Kollisionsstrecke der Zelle und die lonengeschwindigkeit bezieht. Der relativ hohe Druck im Inneren der Kollisionszelle muss daher genau kontrolliert werden, während andere Komponenten eines lonenanalysesystems oft im Vakuum gehalten werden. Dies gilt insbesondere für eine „linsenfreie“ Kollisionszelle, die auf die Verwendung von engen Aperturen und lonenfokussierungslinsen am Eingang und Ausgang der Kollisionszelle verzichtet. Eine solche linsenfreie Kollisionszelle ist in U.S. Patent No. 8,481,929 dargestellt, deren Grundkonfiguration in den 1 und 2 gezeigt wird.
1 ist eine schematische Draufsicht auf die oben erwähnte Kollisionszelle 260, die so angeordnet ist, dass sie die von einem Massenanalysator 225 ausgegebenen Ionen empfängt. Nachdem die Ionen die Kollisionszelle 260 durchlaufen haben, werden sie zu einem zweiten Massenanalysator 227 geleitet. Wie dargestellt, werden die Ionen in der Kollisionszelle 260 um 180° umgelenkt, wodurch das Gesamtsystem kompakt bleibt. Die Kollisionszelle 260 besteht aus vier halbkreisförmigen leitenden Elementen, die das für den Ionentransport erforderliche Feld erzeugen. Die vier Elemente bestehen aus leitfähigem Material und sind an einer gemeinsamen Isolierplatte befestigt, so dass ihre Ausrichtung auf eine einzige Ebene bezogen ist. Dies gewährleistet eine genaue Ausrichtung der Pole während der Herstellung und bei verschiedenen Betriebstemperaturen.
Wie im Querschnitt von 2 entlang der Linie A-A in 1 gezeigt, besteht jede der Elektroden 361-364 der Vierfach-Kollisionszelle aus einem leitfähigen halbkreisförmigen Element, und alle vier Elektroden 361-364 sind entlang ihrer Länge an der Isolierplatte 365 befestigt. Dies bietet eine gemeinsame Bezugsebene für die Elektrodenoberflächen und gewährleistet die korrekte Ausrichtung während des Zusammenbaus. Ebenfalls in 2 zu sehen sind vier längliche Dichtungen 366, 368, von denen jede zwischen zwei benachbarten Elektroden sitzt. Bei den Dichtungen 366, 368 handelt es sich um dünne Isolierstreifen, die der Form der Kollisionszelle folgen und einen Tunnel um einen lonentransportweg bilden, der dazu beiträgt, das injizierte Gas zurückzuhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung bereitgestellt, die den vorstehend beschriebenen Führungsvorrichtung aus dem Stand der Technik ähnelt, aber darüber hinaus ein Mittel zur lonenbeschleunigung bereitstellt, das bei zahlreichen Anwendungen von Vorteil ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung eine Vielzahl von HF-Elektroden auf, die sich von einem Eingang bis zu einem Ausgang der lonenführungsvorrichtung erstrecken. Die HF-Elektroden sind um eine zentrale Achse eines lonenführungsbereiches des Leiters in jeweils unterschiedlichen Winkelpositionen relativ zu einer zentralen Achse verteilt, so dass beim Anlegen unterschiedlicher, meist entgegengesetzter Phasen einer vorbestimmten HF-Spannung an benachbarte Elektroden ein elektrisches HF-Feld erzeugt wird, das für die Einhegung von Ionen in dem lonenführungsbereich sorgt.
Die gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung umfasst auch eine Vielzahl von Gleichstrom-Elektroden, die sich vom Eingang bis zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung erstrecken. Die Gleichstrom-Elektroden sind um den lonenbereich herum in Winkelpositionen relativ zur zentralen Achse verteilt, die zwischen den Winkelpositionen der HF-Elektroden liegen. Jede Gleichstrom-Elektrode besteht aus einer leitenden Oberfläche und einem Isolator, die in mechanischem Kontakt mit den benachbarten Elektroden-Stützstrukturen stehen, um eine Gasabdichtung zu schaffen, die den Gasfluss aus dem lonenbereich in radialer Richtung hemmt. Um eine axiale Komponente des elektrischen Gleichstroms zu erzeugen, haben zumindest einige der leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden einen radialen Abstand von der zentralen Achse, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang der lonenführungsvorrichtung ändert.
In der beispielhaften Ausführungsform wird an jede der leitenden Oberflächen eine gemeinsame Gleichstromspannung angelegt, und der sich ändernde Abstand der leitenden Oberflächen von der Zentralachse ist die Quelle der axialen elektrischen Gleichfeldkomponente. In einer Version dieser Ausführungsform haben zwei der Gleichstrom-Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Zentralachse leitende Oberflächen mit einem radialen Abstand von der Zentralachse, der vom Eingang zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung zunimmt oder abnimmt. Durch diese Änderung wird eine axiale elektrische Gleichfeldkomponente eingeführt, die die Ionen in der lonenregion in Richtung des Ausgangs der lonenführungsvorrichtung beschleunigt. Zu diesem Zweck kann eine an die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden angelegte Gleichspannung eine Polarität haben, die sich abstoßend oder anziehend auf die in der lonenführungsvorrichtung enthaltenen Ionen auswirkt, je nachdem, ob der radiale Abstand der Gleichstrom-Elektroden vom Eingang zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung zunimmt oder abnimmt.
In der beispielhaften Ausführungsform sind die Gleichstrom-Elektroden zwischen gegenüberliegenden Nuten im leitenden Material benachbarter HF-Elektroden angebracht. In dieser Ausführungsform sind die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden weiter von der zentralen Achse entfernt als die ein HF-Feld erzeugenden Oberflächen der HF-Elektroden, die zum elektrischen HF-Feld im lonenbereich beitragen. Jede der Gleichstrom-Elektroden hat ein im Wesentlichen längliches Querschnittsprofil in einer Ebene senkrecht zur Zentralachse, und die leitende Oberfläche jeder Gleichstrom-Elektrode steht senkrecht zu einer radialen Richtung relativ zur Zentralachse. Die ein HF-Feld erzeugenden Oberflächen zweier benachbarter HF-Elektroden sind durch einen Spalt getrennt, der zwischen der Zentralen Achse und der leitenden Oberfläche einer der Gleichstrom-Elektroden liegt. So wird das elektrische GEBIET zwischen gegenüberliegenden Gleichstrom-Elektroden durch die Lücken zwischen benachbarten HF-Elektroden aufgebaut.
Der Spalt zwischen benachbarten HF-Elektroden kann eine konstante Breite vom Eingang bis zum Ausgang haben, und die leitende Oberfläche der benachbarten Gleichstrom-Elektroden kann breiter als der Spalt sein. Insbesondere ist die Größe der leitenden Oberfläche so bemessen, dass sie von jeder geradlinigen Flugbahn aus dem lonenbereich, die durch den Spalt verläuft, geschnitten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass jedes Ion, das dem Einschluss entkommt und einen geradlinigen Weg durch den Spalt nimmt, auf der leitenden Oberfläche der Gleichstromelektrode entladen wird. Die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden haben außerdem einen Mindestabstand zu den leitenden Oberflächen einer HF-Elektrode, der ausreicht, um elektrische Lichtbögen zu verhindern. In der beispielhaften Ausführungsform hat jede Gleichstrom-Elektrode ein isolierendes Substrat, auf dem sich ihre leitende Oberfläche befindet, und die leitende Oberfläche bedeckt nur einen Teil des Substrats, was einen elektrischen Kontakt mit leitendem Material benachbarter HF-Elektroden verhindert.
In verschiedenen Ausführungsformen der gasrückhaltenden lonenführungsvorrichtung kann eine Anzahl von Gleichstrom-Elektroden so beschaffen sein, dass zwischen jeweils zwei benachbarten HF-Elektroden eine Gasabdichtung vorgesehen ist, so dass ein Gasfluss aus dem lonenbereich in alle radialen Richtungen gehemmt wird. Eine solche Konstruktion kann dazu führen, dass die gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung als lonen-Kollisionszelle verwendet wird. Eine solche Ionen-Kollisionszelle kann ferner einen Gaseinlass umfassen, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang der gasrückhaltenden lonenführungsvorrichtung befindet und durch den der lonenregion während des Betriebs ein Kollisionsgas zugeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Draufsicht auf eine Kollisionszelle nach dem Stand der Technik zusammen mit zwei Massenanalysatoren.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Kollisionszelle.
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kollisionszelle.
4A ist eine isolierte perspektivische Ansicht von Beschleunigungsflügeln, die mit der Kollisionszelle der 3 verwendet werden.
4B ist eine isolierte Vorderansicht der in 4A gezeigten Beschleunigungsflügel.
5A ist eine schematische perspektivische Ansicht des Ausgangs der Kollisionszelle von 3.
5B ist eine schematische perspektivische Ansicht des Eingangs der Kollisionszelle von 3.
6A ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Bereichs des Ausgangs der Kollisionszelle aus 5A.
6B ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Bereichs des Eingangs der Kollisionszelle aus 5B.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 3 ist schematisch eine gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Form einer linsenfreien Kollisionszelle dargestellt. Die Kollisionszelle ist ähnlich aufgebaut wie die in den 1 und 2 gezeigte Kollisionszelle des Standes der Technik, indem sie vier Elektroden 12a, 12b, 12c und 12d (hier zusammenfassend als „Elektroden 12“ bezeichnet) in einer quadrupolaren Anordnung enthält, die einer halbkreisförmigen Bahn folgt. Jede der Elektroden 12 ist über ihre gesamte Länge an einer einzelnen Isolierplatte 16 (in den 5A und 5B dargestellt) befestigt, die eine gemeinsame Bezugsebene für die Ausrichtung der Elektrodenoberflächen bildet. Die Kollisionszelle 10 umfasst außerdem vier Beschleunigungs-Flügel-Elektroden 14a, 14b, 14c und 14d, die hier der Kürze halber einfach als „Flügel“ bezeichnet werden (und gemeinsam mit der Referenznummer 14 identifiziert werden), von denen jeder an einem entsprechenden Montageort zwischen zwei der Strukturen gehalten wird, die die Elektroden 12 bilden. Jeder der Flügel 14 hat ein längliches Querschnittsprofil, das bei den Flügeln 14a und 14b mit seiner langen Abmessung parallel zu einer „vertikalen“ Richtung und bei den Flügeln 14c und 14d mit seiner langen Abmessung parallel zu einer „horizontalen“ Richtung rechtwinklig zur „vertikalen“ Richtung ausgerichtet ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die Flügel 14a, 14b daher hier als „vertikale“ Flügel und die Flügel 14c, 14d als „horizontale“ Flügel bezeichnet, obwohl Fachleute verstehen werden, dass die Verweise auf „vertikal“ und „horizontal“ keine absolute Positionierung der Flügel implizieren und dass die Kollisionszelle in jeder beliebigen Ausrichtung betrieben werden kann.
Wie die isolierenden Dichtungen des Standes der Technik bietet jeder der Flügel 14 eine Gasdichtung in seinem Raum zwischen den Elektroden, an denen er befestigt ist. Allerdings liegt an jedem der Flügel 14 auch ein Gleichspannungspotential an, und die relative Positionierung der Flügel wird genutzt, um den Ionen in der Kollisionszelle eine axiale Beschleunigung zu verleihen. Die axiale Beschleunigung kann verwendet werden, um Geschwindigkeitsänderungen aufgrund von Gasmolekülkollisionen zu kompensieren oder um andere Geschwindigkeitsanpassungen vorzunehmen, die für eine bestimmte Anmeldung gewünscht werden.
In der Ausführungsform von 3 bleibt die Position der vertikalen Flügel 14a, 14b relativ zu einer zentralen Achse des Quadrupolkanals über die gesamte Länge der Kollisionszelle gleich. Der Abstand der horizontalen Flügel 14c, 14d von der Achse nimmt jedoch vom Eingang bis zum Ausgang der Zelle zu. Dies wird in der isolierten perspektivischen Ansicht von 4A und der isolierten Vorderansicht von 4B deutlicher, die jeweils schematisch zeigen, dass der Abstand zwischen den Flügeln 14c und 14d entlang der Länge der Kollisionszelle allmählich zunimmt, von einem Abstand X_i am Eingang bis zu einem Abstand X_o am Ausgang. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Änderung des Abstands nicht linear, aber es können auch lineare oder andere Änderungsraten verwendet werden, ebenso wie komplexere Formeln für den Abstand der Flügel über die Länge der Zelle. Fachleute werden verstehen, dass in der vorliegenden Ausführungsform nur die horizontalen Flügel ihre Position relativ zur Zentralen Achse über die Länge der Zelle verändern, dass aber die relativen Positionen sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Flügel über die Länge der Zelle verändert werden können, um zum Beispiel eine stärkere Feldwirkung zu erzielen.
In dem in den Figuren gezeigten Beispiel ist das Gleichspannungspotential relativ zur Polarität der Ionen abstoßend, was die gewünschte lonenbeschleunigung zum Ausgang der Kollisionszelle hin bewirkt. Im Rahmen der Erfindung könnte jedoch alternativ ein allmählich abnehmender Abstand zwischen den Flügeln 14c und 14d von der Trennung X_i am Eingang bis zur Trennung X_o am Ausgang verwendet werden, zusammen mit einer Polarität des Gleichspannungspotentials, die für die Ionen im lonenbereich anziehend ist, was in ähnlicher Weise eine lonenbeschleunigung in Richtung des Ausgangs der Kollisionszelle bewirkt.
5A ist eine vergrößerte Ansicht eines Ausgangsbereichs der Kollisionszelle 10 aus 3. Wie gezeigt, sind die horizontalen Flügel 14c und 14d gleichmäßig von einer zentralen Achse der Kollisionszelle beabstandet und haben einen Abstand voneinander, der dem Abstand zwischen den vertikalen Flügeln 14a und 14b ähnelt. Allerdings ist der Abstand zwischen den horizontalen Flügeln 14c und 14d am Eingang der Kollisionszelle 10, der in der vergrößerten Ansicht von 5B zu sehen ist, deutlich geringer. Wie weiter unten erläutert, wird diese Änderung des relativen Abstands zwischen den Flügeln 14c, 14d durch die Gesamtstruktur der Kollisionszelle bewirkt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Quadrupol-HF-Konfiguration verwendet. Wie im Stand der Technik werden daher benachbarte Elektroden 12 mit den entgegengesetzten Phasen einer HF-Spannung versorgt, die die Ionen auf den Quadrupolkanal beschränkt, wie es in der Technik bekannt ist. Diese Ausführungsform ähnelt dem Stand der Technik auch insofern, als die Elektroden parallel zueinander verlaufen und einen konstanten Abstand zur Quadrupol-Zentralachse haben. Die Flügel 14 werden jeweils mit der gleichen Gleichspannung versorgt. So wird für die vertikalen Flügel 14a, 14b, die entlang der Länge der Kollisionszelle 10 den gleichen Abstand haben, ein ausgeglichenes radiales elektrisches Gleichfeld erzeugt, das keine axiale Komponente hat. Bei den horizontalen Flügeln 14c, 14d hingegen führt der sich nach außen verjüngende Abstand zwischen den Flügeln zu einer axialen Komponente im elektrischen Gleichfeld, die eine Kraft auf die Ionen in Richtung des Ausgangs der Kollisionszelle erzeugt.
Da die Ionen in der Kollisionszelle sowohl auf die HF-Spannungspotentiale an den Elektroden 12 als auch auf die Gleichspannungen an den Flügeln 14 empfindlich reagieren, sind die Komponenten sorgfältig relativ zueinander angeordnet. Obwohl HF-Elektroden mit unterschiedlichen Querschnittsformen in der Technik bekannt sind, werden in der vorliegenden Ausführungsform Elektroden 12 mit abgerundeten Oberflächen 18 verwendet, die dem lonenkanal zugewandt sind. Die abgerundeten Oberflächen sind möglicherweise wünschenswerter, da sie tendenziell einen höheren Bereich von lonenmassenwerten (d.h. m/z-Werten) einschließen als flache Oberflächen oder andere Formen. Es können jedoch auch andere Elektrodenformen verwendet werden.
Die Elektroden 12 sind jeweils aus einem leitfähigen Metall gefertigt, wobei die gekrümmten Elektrodenoberflächen 18a - 18d rotationssymmetrisch um die zentrale Achse der Kollisionszelle angeordnet sind, so dass sich beim Anlegen der HF-Spannung ein effektives quadrupolares Feld bildet. Wie in der Technik bekannt, wird eine erste Phase der HF-Spannung an die Elektroden 12a und 12d angelegt, während eine zweite, andere Phase, z.B. die entgegengesetzte Phase, an die Elektroden 12b und 12c angelegt wird. Die Flügel 14 befinden sich weiter von der Achse entfernt als die Elektrodenköpfe und sind jeweils in gegenüberliegenden Nuten 20 zwischen zwei benachbarten HF-Elektrodenstrukturen angebracht. Um zwischen den verschiedenen Schlitzen zu unterscheiden, werden die Schlitze, die den Flügel 14a halten, als Nuten 20a, die Schlitze, die den Flügel 14b halten, als Nuten 20b, die Schlitze, die den Flügel 14c halten, als Nuten 14c und die Schlitze, die den Flügel 14d halten, als Nuten 20d bezeichnet. Da sich der relative Abstand der vertikalen Flügel 14a, 14b über die Länge der Kollisionszelle nicht ändert, sind die Positionen der Nuten 20a, 20b relativ zur zentralen Achse der Kollisionszelle über die Länge der Zelle konstant. Bei den horizontalen Flügeln 14c, 14d hingegen haben die Nuten 20c, 20d, in denen diese Flügel montiert sind, einen Abstand von der zentralen Achse, der sich über die Länge der Kollisionszelle ändert.
Die 5A und 5B zeigen eine „horizontale“ Radiallinie 22, die die zentrale Achse der Kollisionszelle schneidet und senkrecht zur langen Querschnittsabmessung der vertikalen Flügel 14a, 14b steht. Eine Ebene, in der sich sowohl die Linie 22 als auch die zentrale Achse der Kollisionszelle befinden, wird hier als „zentrale horizontale Ebene“ der Kollisionszelle bezeichnet. Die beiden vertikalen Flügel 14a, 14b folgen der Krümmung der Kollisionszelle, bleiben aber über ihre gesamte Länge senkrecht zur zentralen horizontalen Ebene. Die horizontalen Flügel 14c, 14d folgen ebenfalls der Krümmung der Kollisionszelle, haben aber jeweils einen Abstand von der zentralen horizontalen Ebene, der vom Eingang zum Ausgang der Kollisionszelle hin zunimmt.
Um diese Veränderung zu erreichen, haben die Nuten 20c, 20d jeweils einen Abstand zur zentralen horizontalen Ebene, der sich ebenfalls über die Länge der Kollisionszelle vergrößert. Um ein symmetrisches Querschnittsprofil zu erhalten, ist der Abstand von Nut 20c zur zentralen horizontalen Ebene an jedem Punkt der Zelle gleich groß wie der Abstand von Nut 20d zur horizontalen Ebene. Somit ändert sich der relative Abstand zwischen den horizontalen Flügeln 14c, 14d mit der doppelten Änderungsrate des Abstands der Nuten 20c, 20d zur zentralen horizontalen Ebene.
Um den sich ändernden Abstand der Nuten 20c, 20d zur zentralen horizontalen Ebene zu gewährleisten, ändert sich die Position dieser Nuten im Elektrodenmaterial über die Länge der Kollisionszelle, und die Form des Materials trägt diesen Änderungen Rechnung. Die 6A und 6B zeigen eine Vergrößerung der Bereiche der 5A bzw. 5B, die den Flügel 14c enthalten. In 6B, die den Eingang der Kollisionszelle zeigt, befindet sich die Position des Flügels 14c in unmittelbarer Nähe der zentralen horizontalen Ebene. Die Nuten 20c liegen also direkt neben den gekrümmten Flächen 18a und 18c der Elektroden 12a bzw. 12c. Am Ausgang der Kollisionszelle jedoch, wie in 6A gezeigt, sind der Flügel 14c und die Nuten 20c viel weiter von den gekrümmten Oberflächen 18a und 18c der Elektroden 12a und 12c entfernt. In diesem Bereich befindet sich deutlich mehr Metallmaterial auf den Teilen der Elektrodenstrukturen 12a, 12c, die zwischen den gekrümmten Oberflächen dieser Elektroden und dem Flügel 14c liegen. Es versteht sich von selbst, dass die 6A und 6B nur den Abschnitt der Kollisionszelle zeigen, der den Flügel 14c umgibt, während der Bereich, der den Flügel 14d umgibt, die gleichen Merkmale aufweist, wenn auch in umgekehrter Ausrichtung.
Obwohl die Flügel 14 verschiedene spezifische Konstruktionsarten verwenden können, besteht in der vorliegenden Ausführungsform jeder Flügel aus einem nichtleitenden Substrat 23, auf dem sich eine Leiterbahn 24 befindet, die einen Teil einer Seite des Flügels vom Eingang bis zum Ausgang der Kollisionszelle bedeckt. Die Struktur der Flügel 14 kann derjenigen von Leiterplatten ähnlich sein, und es können ähnliche Herstellungsverfahren verwendet werden, um sie herzustellen. Da die Flügel relativ dünn sind, kann ein ausreichend flexibles Trägermaterial verwendet werden, das sich leicht an die Veränderung der Position relativ zur zentralen horizontalen Ebene über die Länge der Kollisionszelle anpasst. Wie in den Figuren gezeigt, passt das nichtleitende Substrat in die Nuten 20, um den Flügel in der gewünschten Position und Ausrichtung zu halten und wird dadurch festgehalten, um die gewünschte relative Positionierung der Komponenten zu erhalten. Der leitende Teil 24 jedes Flügels kommt nicht mit leitendem Material der Elektroden 12 in Berührung und ist in einem solchen Abstand von jeder anderen leitenden Oberfläche positioniert, dass bei den in dieser Ausführungsform verwendeten Spannungen keine Gefahr eines Lichtbogens besteht.
Damit das von den Flügeln 14c, 14d erzeugte Gleichfeld ausreichend in den lonenbereich der Kollisionszelle eindringen kann, wird ein Abstand de zwischen den Elektrodenstrukturen eingehalten. Der Abstand de muss so groß sein, dass das von den Flügeln auf der zentralen Achse erzeugte elektrische Potenzial in der Größenordnung von einigen Prozent der an den Flügeln angelegten Gleichspannung liegt. Die leitende Oberfläche 24 des Flügels 14c ist dem Elektrodenraum zugewandt, um zusammen mit dem Flügel 14d die gewünschten Komponenten des elektrischen Gleichfelds zu erzeugen. Das Vorhandensein dieser leitenden Oberfläche bietet auch einen Entladungsort für Ionen, die dem Einschluss durch den Raum de entkommen könnten. Im Allgemeinen ist es nicht wünschenswert, nicht leitende Oberflächen zu haben, die Ionen ausgesetzt sind, die dem Einschluss entkommen, da dies im Laufe der Zeit zu Ladungsansammlungen führen kann, die die Leistung der Kollisionszelle beeinträchtigen. Wie in den 6A und 6B gezeigt, erstreckt sich die leitende Oberfläche 24 des Flügels 14c über die vertikalen Grenzen des Abstands de hinaus, da es mögliche lonenflugbahnen gibt, die dazu führen würden, dass das Ion den Flügel 14c an einer horizontalen Position außerhalb des durch den Abstand de definierten vertikalen Bereichs berührt. Durch die Ausdehnung der leitenden Oberfläche 24 in diese Bereiche gibt es keine nichtleitende Oberfläche, die von einem fehlgeleiteten Ion auf dem Flügel 14c erreicht werden kann.
Wie bereits erwähnt, muss der Abstand zwischen der leitfähigen Oberfläche 24 des Flügels 14c und dem leitfähigen Material der Elektroden 12a, 12c in Anbetracht der verwendeten HF- und Gleichspannungen groß genug sein, um eine Lichtbogenbildung zwischen der leitfähigen Oberfläche 24 und dem Elektrodenmaterial zu vermeiden. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Spalt zwischen dem Flügel 14c und einer Rückseite der Elektroden 12a und 12c über die Länge der Kollisionszelle auf einem annähernd konstanten Abstand, d_gap, gehalten, was eine Änderung des Querschnittsprofils des Elektrodenmaterials vom Eingang der Zelle bis zum Ausgang erfordert. In 6A werden gestrichelte Linien verwendet, um Bereiche 26 des Elektrodenmaterials zu zeigen, die am Ausgang der Kollisionszelle vorhanden sind, am Eingang jedoch nicht. Um den Abstand d_gap konstant zu halten, werden diese Bereiche 26 allmählich in Richtung des Ausgangs der Kollisionszelle verkleinert. Dadurch und durch die Konstanthaltung von d_gap gibt es keine nichtleitenden Oberflächen, die den Ionen ausgesetzt sind, was sonst der Fall wäre, wenn beispielsweise das leitende Material in den Regionen 26 am Ausgang der Kollisionszelle, wie in 6A gezeigt, nicht vorhanden wäre. Indem Sie die Menge des Materials in diesen Bereichen über die Länge der Kollisionszelle einstellbar machen, werden fehlgeleitete Ionen mit diesen leitenden Oberflächen in Kontakt kommen und entladen werden. Auch wenn die 6A und 6B nur den Bereich um den Flügel 14c zeigen, gelten dieselben Prinzipien für die Bereiche um den Flügel 14d, einschließlich der Reduzierung eines Teils des leitfähigen Materials der Elektroden 18b und 18d in der Nähe des Flügels 14d über die Länge der Kollisionszelle.
Obwohl die Ausdehnung der leitenden Oberfläche 24 über den Abstand de hinaus dazu beiträgt, den Aufbau von Ladungen zu verhindern, führt sie dazu, dass ein Teil der leitenden Oberfläche 24 gegenüber dem leitenden Elektrodenmaterial positioniert wird, was eine kapazitive Struktur über einen Teil des Spalts d_gap bildet. Die daraus resultierende Kapazität ist unerwünscht, wird aber in der vorliegenden Ausführungsform im Verhältnis zu den in der Kollisionszelle verwendeten Spannungen als akzeptabel angesehen. Im Allgemeinen kann die Kapazität, die durch die Überlappung der leitenden Oberflächen entstehen würde, im Voraus bestimmt und die relative Oberflächenüberlappung auf ein für die spezifische Anmeldung notwendiges Maß reduziert werden, während ansonsten die Oberflächenüberlappung beibehalten wird, um den Ladungsaufbau zu minimieren.
Je nach der spezifischen Anmeldung und den Anforderungen des Systems, in dem die Zelle verwendet wird, können die spezifischen Abmessungen variieren. Darüber hinaus können selbst bei einem bestimmten Satz von Leistungsanforderungen verschiedene Parameter variiert werden, ohne dass diese Anforderungen beeinträchtigt werden. Ein Beispiel für eine Kollisionszelle verwendet die folgenden Spezifikationen: d_e = 1.5 - 3.0 mm; d_gap = 0.5 - 1.5 mm; V_RF ≈ 1000 V Spitze-Spitze; und eine Gleichspannung an den Flügeln von V_DC = 20-100V. Es versteht sich jedoch von selbst, dass viele verschiedene Anordnungen verwendet werden können, ohne dass die Prinzipien der Erfindung beeinträchtigt werden.
Obwohl das vorstehende Beispiel für eine typische 180°-Kollisionszellenbahn gilt, können die hier beschriebenen Prinzipien auch für andere Formen verwendet werden, z.B. für eine mit einer 90°-Krümmung. Auch die HF-Elektroden können unterschiedliche Formen haben und die Art und Weise, wie die Flügel gehalten werden, kann variieren. Anstelle der gezeigten Quadrupolstruktur können auch andere Multipole, wie Hexapole oder Oktopole, verwendet werden. In der beispielhaften Ausführungsform werden die Elektrodenstrukturen durch präzise Bearbeitung des leitfähigen Elektrodenmaterials hergestellt, und die Nuten 20c, 20d sorgen für eine Änderung des relativen Abstands zwischen den Flügeln 14c, 14d, die eine gewünschte Änderung der axialen elektrischen Gleichfeldkomponente bewirkt, die entlang der Achse der Kollisionszelle erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsform können die Nuten jedoch auch entsprechend einer gewünschten Funktion in das Elektrodenmaterial eingearbeitet werden, die zu einer axialen Komponente führt, die nicht linear ist oder sich auf eine andere maßgeschneiderte Weise entlang der Länge der Zelle ändert. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere der Komponenten der Zelle mit Hilfe einer 3D-Drucktechnologie hergestellt werden, bei der ein Teil oder die gesamte Struktur Schicht für Schicht aufgebaut wird. Ein solcher Aufbau könnte mit einer Kombination aus leitfähigem und nicht-leitfähigem Material erfolgen. Alternativ könnten auch nur nicht-leitende Materialien verwendet werden, und es könnte ein Metallisierungsschritt folgen, bei dem die notwendigen Metallschichten hinzugefügt werden.
Auch wenn sich die Beispiele hier auf eine Beschleunigung in Richtung der lonenbewegung beziehen, gilt die Erfindung selbstverständlich auch für ein System, bei dem die Beschleunigung entgegengesetzt zur Richtung der lonenbewegung erfolgt. Ein solches System könnte z.B. ein Gleichstrompotential verwenden, das in Bezug auf die Polarität der Ionen abstoßend ist, mit mindestens einem Satz von gegenüberliegenden Flügeln, die einen abnehmenden Abstand vom Eingang zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung haben, oder ein Gleichstrompotential, das in Bezug auf die Polarität der Ionen anziehend ist, mit Flügeln, die einen zunehmenden Abstand vom Eingang zum Ausgang haben. Die Erfindung kann auch mit mehr als zwei Flügeln umgesetzt werden, die einen sich ändernden relativen Abstand über die Länge der lonenführungsvorrichtung haben, wie oben erwähnt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine kompakte gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung, wie z.B. eine gasdichte Kollisionszelle, zur Verfügung, die den Ionen, die sich durch die Führung/Zelle bewegen, die gewünschte axiale Beschleunigung verleiht und dabei nur minimale elektrische Komponenten verwendet. Das System ist kostengünstig, robust, sauber und einfach herzustellen. Darüber hinaus ist das System durch die Verwendung eines Gradienten, der einfach in die mechanische Struktur eingearbeitet wird, sehr reproduzierbar für die Produktion höherer Stückzahlen, und die Einstellung der Gradientengröße kann über ein einziges Gleichstrompotential erfolgen.

Claims

Eine gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung, umfassend: a. eine Vielzahl von HF-Elektroden, die sich von einem Eingang zu einem Ausgang der lonenführungsvorrichtung erstrecken und um einen lonenbereich der lonenführungsvorrichtung in verschiedenen jeweiligen Winkelpositionen relativ zu einer zentralen Achse verteilt sind, so dass, wenn unterschiedliche Phasen einer vorbestimmten HF-Spannung an benachbarte HF-Elektroden angelegt werden, ein elektrisches HF-Feld erzeugt wird, das für eine Einhegung von Ionen in dem lonenbereich sorgt; und b. eine Vielzahl von Gleichstrom-Elektroden, die sich vom Eingang bis zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung erstrecken und um die lonenregion in Winkelpositionen relativ zur zentralen Achse verteilt sind, die zwischen den Winkelpositionen der HF-Elektroden liegen, wobei jede Gleichstrom-Elektrode eine leitende Oberfläche aufweist und eine Gasabdichtung zwischen zwei benachbarten HF-Elektroden bereitstellt, die einen Gasfluss aus der lonenregion in radialer Richtung hemmt, wobei mindestens einige der leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden einen radialen Abstand von der zentralen Achse aufweisen, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang der lonenführungsvorrichtung ändert.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine gemeinsame Gleichstromspannung an jede der leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden angelegt wird.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der zwei der Gleichstrom-Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der zentralen Achse leitende Oberflächen mit einem radialen Abstand von der zentralen Achse aufweisen, der sich vom Eingang zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung vergrößert oder verkleinert.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine an die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden angelegte Gleichspannung eine Polarität aufweist, die die Ionen in der lonenführungsvorrichtung abstößt bzw. anzieht.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gleichstromelektroden zwischen gegenüberliegenden Nuten im leitenden Material benachbarter HF-Elektroden angebracht sind.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden weiter von der zentralen Achse entfernt sind als die HF-Feld erzeugenden Oberflächen der HF-Elektroden, die zum elektrischen HF-Feld im lonenbereich beitragen.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei jede der Gleichstromelektroden ein im wesentlichen längliches Querschnittsprofil in einer Ebene senkrecht zur zentralen Achse aufweist und wobei die leitende Oberfläche jeder Gleichstromelektrode senkrecht zu einer radialen Richtung relativ zur zentralen Achse liegt.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die HF-Feld erzeugenden Flächen zweier benachbarter HF-Elektroden durch einen Spalt getrennt sind, der zwischen der zentralen Achse und der leitenden Oberfläche einer nahegelegenen Gleichstromelektrode liegt.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Größe des vorbestimmten Spalts vom Eingang bis zum Ausgang konstant ist.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Größe der leitenden Oberfläche der nächstgelegenen Gleichstromelektrode so groß ist, dass sie von jeder geradlinigen Bahn aus dem lonenbereich, die durch den Spalt verläuft, geschnitten wird.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden einen Mindestabstand zu jeder leitenden Oberfläche einer HF-Elektrode haben, der ausreicht, um elektrische Lichtbögen zu verhindern.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jede Gleichstromelektrode ein isolierendes Substrat umfasst, auf dem sich ihre leitende Oberfläche befindet.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die leitende Oberfläche jeder Gleichstrom-Elektrode nur einen Teil des Substrats bedeckt und das Substrat mit leitendem Material benachbarter HF-Elektroden in Kontakt steht.
Gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der eine Anzahl der Gleichstrom-Elektroden so bemessen ist, dass zwischen jeweils zwei benachbarten HF-Elektroden eine Gasabdichtung vorgesehen ist, so dass ein Gasfluss aus dem lonenbereich in alle radialen Richtungen gehemmt wird.
lonenkollisionszelle, die eine gasrückhaltende lonenführungsvorrichtung nach Anspruch 14 umfasst.
lonenkollisionszelle nach Anspruch 15, die ferner einen Gaseinlass umfasst, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang der gasrückhaltenden lonenführungsvorrichtung befindet und durch den dem lonenbereich während des Betriebs ein Kollisionsgas zugeführt wird.
Verfahren zur Beschleunigung von Ionen in einer gasrückhaltenden lonenführungsvorrichtung, die eine Vielzahl von HF-Elektroden umfasst, die sich von einem Eingang zu einem Ausgang der lonenführungsvorrichtung erstrecken und um einen lonenbereich der lonenführungsvorrichtung in verschiedenen jeweiligen Winkelpositionen relativ zu einer zentralen Achse verteilt sind, so dass, wenn verschiedene Phasen einer vorbestimmten HF-Spannung an benachbarte HF-Elektroden angelegt werden, ein elektrisches HF-Feld erzeugt wird, das eine Einhegung von Ionen in dem lonenbereich bewirkt, wobei das Verfahren das Anordnen einer Vielzahl von Gleichstrom-Elektroden in der lonenführungsvorrichtung umfasst, die sich vom Eingang zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung erstrecken und die um die lonenregion in Winkelpositionen relativ zur zentralen Achse verteilt sind, die zwischen den Winkelpositionen der HF-Elektroden liegen, wobei jede Gleichstrom-Elektrode eine leitende Oberfläche aufweist und eine Gasabdichtung zwischen zwei benachbarten HF-Elektroden bereitstellt, die einen Gasfluss aus der lonenregion in radialer Richtung hemmt, wobei mindestens einige der leitenden Oberflächen der Gleichstrom-Elektroden einen radialen Abstand von der zentralen Achse aufweisen, der sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang der lonenführungsvorrichtung ändert.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Anordnen einer Vielzahl von Gleichstromelektroden in der lonenführungsvorrichtung das Anordnen von zwei der Gleichstromelektroden auf gegenüberliegenden Seiten der zentralen Achse umfasst, die leitende Oberflächen mit einem radialen Abstand von der zentralen Achse aufweisen, der vom Eingang zum Ausgang der lonenführungsvorrichtung zunimmt oder abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei das Anordnen einer Vielzahl von Gleichstrom-Elektroden in der lonenführungsvorrichtung das Anbringen der Gleichstrom-Elektroden zwischen gegenüberliegenden Nuten im leitenden Material benachbarter HF-Elektroden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei jede Gleichstrom-Elektrode ein isolierendes Substrat umfasst, auf dem sich ihre leitende Oberfläche befindet, wobei das isolierende Substrat mit dem leitenden Material benachbarter HF-Elektroden in Kontakt steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das Anordnen einer Vielzahl von Gleichstromelektroden in der lonenführungsvorrichtung das Anordnen einer Anzahl von Gleichstromelektroden in der lonenführungsvorrichtung umfasst, die ausreicht, um eine Gasabdichtung zwischen jeweils zwei benachbarten HF-Elektroden zu schaffen, so dass ein Gasfluss aus dem lonenbereich in alle radialen Richtungen verhindert wird.