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Die
Erfindung betrifft ein Quadrupol-Massenfilter mit
- – vier parallelen
stabförmigen
Elektroden,
- – einer
Wechselspannungsquelle, die eine hochfrequente Wechselspannung variabler
Amplitude liefert,
- – einer
Wandlerschaltung, die aus der Wechselspannung Versorgungsspannungen
für zwei
Paare gegenüberliegender
Elektroden erzeugt,
- – und
einer mindestens einen Kondensator enthaltenden Rückkopplungsschleife
zur Regelung der Wechselspannungsquelle in Abhängigkeit von der Amplitude
der Elektrodenspannungen.
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Zur
Analyse von Substanzen auf Bestandteile verschiedener Masse und
zur genauen Massenbestimmung finden Massenspektrometer Verwendung. In
einem Massenspektrometer wird die zu analysierende Substanz ionisiert.
Die Ionen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt, so dass
ein gebündelter
Ionenstrahl entsteht. In einem Massenfilter wird der Ionenstrahl
in seine verschiedenen Masseanteile zerlegt. Die elektrische Ladung
der einzelnen Bestandteile wird an einen Auffänger abgegeben, wobei der vom
Auffänger
ausgehende elektrische Strom der Intensität der jeweiligen Masse proportional
ist.
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In
DE 42 42 766 A1 (Leybold)
ist ein Quadrupol-Massenfilter für
ein Massenspektrometer beschrieben. Dieses Massenfilter weist vier
parallel angeordnete Stabelektroden auf. An jedem Paar gegenüberliegender
Elektroden liegt eine Gleichspannung, die von einer hochfrequenten
Wechselspannung überlagert
ist. Es sind auch Massenfilter bekannt, deren Stabelektroden nur
an einer hochfrequenten Wechselspannung liegen.
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Der
Ionenstrahl im Innern des Quadrupol-Massenfilters wird durch das
Hochfrequenzfeld zu Schwingungen angeregt, die massenabhängig sind.
Nur für
Ionen einer bestimmten Masse bleibt die Schwingungsamplitude so
klein, dass diese Ionen das Stabsystem passieren und in den Auffänger gelangen.
Die anderen Ionen treffen auf die Stabelektroden und werden eliminiert.
In Abhängigkeit
von der Amplitude und der Frequenz der Wechselspannung können Ionen
einer bestimmten Masse fokussiert werden. Die von der Wechselspannungsquelle
erzeugte Frequenz liegt üblicherweise
im Bereich von 1-10 MHz. In diesem Bereich ist eine Konstanthaltung
der Wechselspannungsamplitude sehr schwierig, weil viele externe
und interne Einflüsse
die Amplitudenhöhe
beeinflussen können.
Es ist daher bekannt, eine Rückkopplungsschleife
vorzusehen, durch die ein der Amplitudenhöhe entspre chender Wert auf
die Wechselspannungsquelle rückgekoppelt wird,
um die Amplitudenhöhe
auf einen gewünschten Wert
zu regeln. Zur Messung der Amplitude der hochfrequenten Wechselspannung
kann an jedes Paar der Stabelektroden ein Kondensator angeschlossen
werden. Die beiden Kondensatoren versorgen einen Gleichrichter,
dessen Ausgang mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist. Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, einen kapazitiven Spannungsteiler vorzusehen, der
die Paare von Stabelektroden verbindet und die hohe Hochfrequenzspannung
herunterteilt. In beiden Fällen
ist die sich im Massenspektrum ergebende Massenposition von den
verwendeten Kondensatoren abhängig.
Eine Spannungsmessung mit einem rein ohmschen Teiler ist aufgrund
der hohen Arbeitsfrequenz wegen der Streukapazitäten und hohen Verlustleistungen
nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Quadrupol-Massenfilter
zu schaffen, das eine Konstanthaltung der Wechselspannungsamplitude auch
unter schwierigen Verhältnissen
ermöglicht.
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Das
erfindungsgemäße Quadrupol-Massenfilter
ist durch den Patentanspruch 1 definiert.
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Die
Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass der mindestens eine
Kondensator zur Erzeugung einer Rückkopplungsspannung für die Wechselspannungsquelle
ein Luftkondensator ist, der Luft als Dielektrikum verwendet. Da
die üblichen Dielektrika
von Kondensatoren bei hoher Luftfeuchtigkeit zu Kapazitätsveränderungen
neigen, verursachen Quadrupol-Massenfilter, die mit derartigen Kondensatoren
ausgestattet sind, eine Verschiebung der gemessenen Massenzahl gegenüber der
tatsächlichen
Massenzahl, insbesondere bei schweren Atomen, deren Massenzahlen über 25 betragen.
Hinzu kommt eine Verbreiterung oder Verschmälerung des einer Massenzahl
zugeordneten Spektralbereichs, was einer Verringerung der Auflösung bzw.
der Empfindlichkeit entspricht. Derartige Effekte, die das Messergebnis
beeinträchtigen,
entstehen infolge hoher Luftfeuchtigkeit oder als Folge hoher oder
niedriger Temperaturen. Durch die Verwendung eines Luftkondensators
ist sichergestellt, dass die ohmschen Verluste des Kondensators
praktisch Null sind und somit vernachlässigt werden können, unabhängig von
den jeweiligen Umwelteinflüssen
wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Außerdem wird der Einfluss benachbarter
Körper,
wie Schaltungskomponenten oder Platinen, durch geeignete Bauform
eliminiert.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
mindestens eine Kondensatorelektrode des Kondensators als Becher
ausgebildet ist, welcher die andere Kondensatorelektrode umgibt.
Die becherförmige
Elektrode bildet zugleich eine Abschirmung, die verhindert, dass
benachbarte Komponenten Einfluss auf die Kapazität des Kondensators nehmen.
Auf diese Weise werden Instabilitäten vermieden. Die Feldlinien
bleiben im Wesentlichen innerhalb des Kondensators und unterliegen
keiner Beeinflussung von außen.
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Vorzugsweise
sind beide Kondensatorelektroden als Becher ausgebildet. Hierbei
können
die Böden
der becherförmigen
Kondensatorelektroden durch einen nichtleitenden Stab verbunden
sein. Beide Kondensatorelektroden sind ausschließlich durch den nichtleitenden
Stab verbunden, so dass sie außer
den potentialführenden
Leitungen keine sonstigen Berührungen
haben.
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Zweckmäßigerweise
besteht der Stab aus einem hohlen Rohr. Dies hat den Vorteil einer
geringen Masse des Stabes und eines geringen Festkörpervolumens.
Ein hohler Stab kann wenig Feuchtigkeit festhalten. Vorzugsweise
besteht der Stab aus Saphir oder einem ähnlichen hoch isolierenden
Kristallmaterial hoher Fes tigkeit. Eine andere Alternative sieht
vor, dass ein die Kondensatorelektroden verbindender Halter aus
Keramik oder Glas vorgesehen ist.
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Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
Diese Erläuterungen
sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einengen.
Sie dienen vielmehr nur dem besseren Verständnis.
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Es
zeigen:
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1:
Die vier Elektroden des Massenfilters in perspektivischer Darstellung,
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2:
Ein schematisches Schaltbild der Spannungsversorgung für die Stabelektroden,
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3:
Eine schematische Darstellung der Verläufe der Elektrodenspannungen
und
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4:
Einen Längsschnitt
durch einen der in 2 dargestellten Kondensatoren.
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Das
Quadrupol-Massenfilter weist gemäß 1 vier
stabförmige
Elektroden E1-E4 auf, die um eine gedachte Achse A herum angeordnet
sind und gegenseitige Abstände
haben. Die Stäbe
haben runden oder ovalen Querschnitt, so dass die der Achse A zugewandte
Seite in grober Näherung
hyperbelförmig
gestaltet ist. Die sich diagonal gegenüberliegenden Elektroden E1
und E3 bilden ein Elektrodenpaar. Die beiden anderen sich ebenfalls
diagonal gegenüberliegenden
Elektroden E2 und E4 bilden ein ande res Elektrodenpaar. Die Elektroden
eines Paares sind elektrisch miteinander verbunden. An jedes Elektrodenpaar
wird eine Spannung angelegt, die aus einer Gleichspannung und einer überlagerten hochfrequenten
Wechselspannung besteht. Von einer (nicht dargestellten) Ionenquelle
werden Ionen der zu untersuchenden Substanz entlang der Achse A
in das Eintrittsende 10 der Elektrodenanordnung eingeführt. Der
Ionenstrahl 11 im Innern des Stabsystems wird durch das
Hochfrequenzfeld zu Schwingungen unterschiedlicher Amplituden angeregt,
die masseabhängig
sind. Nur für
Ionen einer bestimmten Masse bleibt die Amplitude der Schwingungen
so klein, dass sie das Stabsystem passieren und zu einem Auffänger 12 gelangen.
Die anderen Ionen treffen auf die Stabelektroden und werden eliminiert.
An den Auffänger 12 ist
eine Stromableitungsschaltung angeschlossen. Der durch die auftreffenden
Ionen erzeugte Strom wird gemessen und dient zur Bestimmung der
Menge der gesuchten Substanz.
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Ionen
mit größeren Massenzahlen
als der gesuchten Massenzahl werden durch das elektrische Gleichfeld
gegen eine Stabelektrode gelenkt und von dieser absorbiert. Ionen
mit kleineren Massenzahlen werden durch das Wechselfeld gegen eine
Stabelektrode gelenkt.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass die Elektroden E1 und E3 zu einem Elektrodenpaar
zusammengeschaltet sind und dass ebenfalls die Elektroden E2 und
E4 zu einem Elektrodenpaar zusammengeschaltet sind. Zur Stromversorgung
dient eine Wechselspannungsquelle 15, die eine hochfrequente
Wechselspannung im Bereich von 1-10 MHz liefert, wobei die Amplitude
der Wechselspannung veränderbar
ist. Die Wechselspannungsquelle 15 ist mit einer Wandlerschaltung 16 verbunden.
Diese enthält
eine Primärwicklung 16a und
zwei Sekundärwicklungen 16b und 16c.
Jede der Sekundärwicklungen
ist an eine Gleichspannungsquelle 17 bzw. 18 angeschlossen. Die
Gleichspannungsquellen liefern gleichsinnige Gleichspannungen mit
unterschiedlichen Amplituden. Sie sind mit den Sekundärwicklungen 16b und 16c derart
verbunden, dass die Sekundärwicklungen gegensinnig
zueinander durchflossen werden. Die Sekundärwicklung 16b ist über eine
Leitung 19 mit dem Elektrodenpaar E1, E3 verbunden. Die
Sekundärwicklung 16c ist über eine
Leitung 20 mit dem Elektrodenpaar E2, E4 verbunden.
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Zur
Gewinnung einer Spannung, die der Spannung zwischen den Leitungen 19 und 20 proportional
ist, sind an diese Leitungen Kondensatoren 21, 22 angeschlossen,
welche mit den beiden Eingangsanschlüssen eines Gleichrichters 23 verbunden
sind, welcher hier als Doppelweggleichrichter ausgebildet ist. An
den Ausgang des Gleichrichters 23 ist ein Ableitwiderstand 24 angeschlossen.
Von dem Ableitwiderstand 24 erstreckt sich eine Rückkopplungsschleife 26 zu
einem Eingang der Wechselspannungsquelle 15.
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Die
am Ableitwiderstand 24 abfallende Spannung wird einem Regler 25 zugeführt, welcher die
Amplitude der Wechselspannungsquelle 15 regelt. Die Regelung
erfolgt in der Weise, dass am Ableitwiderstand 24 ein Spannungsabfall
in Höhe
eines vorgegebenen Sollwertes entsteht.
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Die
Kondensatoren 21 und 22 haben solche Impedanzen,
dass im Gleichrichter 23 ein Strom in der Größenordnung
von mA entsteht. Der Ableitwiderstand 24 hat einen Wert
in der Größenordnung von
1 kΩ. An
ihm fällt
eine Spannung von nur wenigen Volt ab. Auf diese Weise wird mit
einer geringen Regelspannung eine hohe Wechselspannung konstant
gehalten.
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3 zeigt
die Größe und den
zeitlichen Verlauf der verschiedenen Spannungen. Die Gleichspannung,
die von der Gleichspan nungsquelle 17 geliefert wird, ist
mit U 17 bezeichnet. Die Gleichspannung, die von der Gleichspannungsquelle 18 geliefert
wird, ist mit U 18 bezeichnet. Beide Gleichspannungen haben unterschiedliche
Werte. Der Gleichspannung U 17 ist eine Wechselspannung W 1 überlagert
und der Gleichspannung U 18 ist eine Wechselspannung W 2 überlagert.
Die Wechselspannungen W 1 und W 2 sind zueinander gegenphasig. Dadurch
entsteht eine kombinierte Spannung mit der Spitzenamplitude AM,
die einige Hundert Volt betragen kann. Durch die Kondensatoren 21 und 22 von
niedriger Kapazität
werden die hohen Spannungsamplituden in niedrige Stromamplituden,
die zu einer Regelung geeignet sind, umgewandelt.
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Alternativ
zu der beschriebenen Schaltung kann zwischen den Leitungen 19, 20 und
dem Bezugspunkt auch jeweils ein kapazitiver Spannungsteiler angeordnet
werden, an dem eine für
die Regelung geeignete Spannung abgegriffen wird.
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In 4 ist
der Kondensator 21 dargestellt. Der Kondensator 22 ist
in gleicher Weise ausgebildet. Der Kondensator 21 weist
eine äußere Kondensatorelektrode 30 in
Form eines Bechers auf. Der Boden dieser Elektrode ist mit einem
Loch versehen, durch das ein Kontakt 31 für den Anschluss
an die Leitung 20 hindurchgeht. Die Elektrode 30 und
der Kontakt 31 bestehen aus gut leitendem Metall.
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Die
zweite Kondensatorelektrode 32 ist ebenfalls eine Becherelektrode,
die von der offenen Seite der Kondensatorelektrode 30 in
diese eingeschoben ist. Die Böden
der beiden Kondensatorelektroden 30 und 32 sind
nach entgegengesetzten Richtungen gerichtet. Die Kondensatorelektrode 32 ist
mit einem Loch versehen, durch das ein Kontakt 33 für den Anschluss
der Leitung 19 hindurchgeht.
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Die
beiden stirnseitigen Enden der beiden Kontakte 31, 33 im
Innern des von den Kondensatortöpfen
gebildeten Hohlraums sind durch einen Stab 35 aus hochisolierendem
Material verbunden. Der Stab 35 besteht aus einem hohlen
Rohr, im vorliegenden Fall aus Saphir. Der Stab 35 bildet
die einzige Verbindung zwischen den Kondensatorelektroden 30 und 32 über die
Kontakte 31 und 33. Ein wesentlicher Vorteil des
Luftkondensators besteht darin, dass die Umfangswände der
Kondensatorelektroden 30 und 32 einander direkt
gegenüberliegen,
wobei die Umfangswand der Kondensatorelektrode 30 und die
Bodenwand eine äußere Abschirmung
bilden. Sämtliche
elektrischen Felder, die sich zwischen den beiden Kondensatorelektroden
erstrecken, verlaufen im Innern des Kondensators. Dadurch besteht
eine Unabhängigkeit
gegenüber
der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und benachbarten externen Komponenten.
Der Kondensator behält
seine Kapazität
unabhängig
von den Umwelteinflüssen
und der Einbausituation bei. Daher ist auch die Regelung der Wechselspannungsquelle 15 konstant,
so dass die erzeugte Wechselspannung mit konstanter und geregelter Amplitude
geliefert wird. Die Folge hiervon ist, dass das Quadrupol-Massenfilter
reproduzierbare Ergebnisse liefert und die Größen der zu bestimmenden Massen
exakt und mit hoher Auflösung
angibt.