DE112012005594T5

DE112012005594T5 - Hochfrequenz-(HF-) Ionenführung für verbesserte Leistungsfähigkeit in Massenspektrometern bei hohem Druck

Info

Publication number: DE112012005594T5
Application number: DE112012005594.2T
Authority: DE
Inventors: Gershon Perelman; Trygve Ristroph
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-10-16
Also published as: WO2013103468A1; CN104205287B; CN104205287A

Abstract

Ionenführungen (200) für die Verwendung in Massenspektrometrie-(MS-)Systemen werden beschrieben. Die Ionenführungen (200) sind konfiguriert, um ein reflektierendes elektrodynamisches Feld und ein elektrisches Gleichfeld oder statisches Feld bereitzustellen, um Ionenstrahlen, die räumlich stärker begrenzt sind, mit einem vergleichsweise großen Massenbereich bereitzustellen. Einige Ionenführungen (200) sind zwischen der Ionenquelle (101) und der Vakuumkammer (805) der ersten Stufe des MS-Systems (100) vorgesehen.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S.-Patentanmeldung 13/345,392, eingereicht am 6. Januar 2012 mit dem Titel „Radio Frequency (RF) Ion Guide for Improved Performance in Mass Spectrometers at High Pressure”. Die vorliegende Anmeldung beansprucht auch die Priorität der U.S.-Patentanmeldung 13/626,698, eingereicht am 25. September 2012 mit dem Titel „Radio Frequency (RF) Ion Guide for Improved Performance in Mass Spectrometers at High Pressure”.
Hintergrund
Massenspektrometrie (MS) ist eine analytische Methode, die für die quantitative Elementaranalyse von Proben verwendet wird. Moleküle in einer Probe werden durch ein Spektrometer basierend auf ihren jeweiligen Massen ionisiert und getrennt. Die getrennten Analytione werden dann erfasst und ein Massenspektrum der Probe wird erzeugt. Das Massenspektrum stellt Informationen bereit über die Massen und in einigen Fällen die Quantitäten der verschiedenen Analytpartikel, die die Probe bilden. Insbesondere kann Massenspektrometrie verwendet werden, um die Molekulargewichte von Molekülen und Molekularfragmenten innerhalb eines Analyts zu bestimmen. Außerdem kann Massenspektrometrie Komponenten innerhalb des Analyts basierend auf einem Fragmentierungsmuster oder einer Fragmentierungsstruktur identifizieren.
Analytione für die Analyse durch Massenspektrometrie können durch jedes einer Vielzahl von Ionisierungssystemen hergestellt werden. Beispielsweise können AP-MALDI-(Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization = matrixunterstützte Laserdesoprtion/ionisation bei Atmosphärendruck), APPI-(Atmospheric Pressure Photoionization = Atmosphärendruck-Photoionisation), ESI-(Electrospray Ionization = Elektrospray-Ionisation), APCI-(Atmospheric Pressure Chemical Ionization = chemische Ionisation bei Atmosphärendruck) und ICP-(Inductively Coupled Plasma = induktiv gekoppeltes Plasma)Systeme verwendet werden, um Ionen in einem Massenspektrometriesystem zu erzeugen. Viele dieser Systeme erzeugen Ionen am oder nahe dem Atmosphärendruck (760 Torr). Sobald sie erzeugt sind, müssen die Analytione in ein Massenspektrometer eingeführt oder abgetastet werden. Der Analysatorabschnitt eines Massenspektrometers wird typischerweise bei hohen Vakuumpegeln von 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr gehalten. In der Praxis umfasst das Abtasten der Ione das Befördern der Analytione in der Form eines eng begrenzten Ionenstrahls von der Ionenquelle zu der Hochvakuummassenspektrometerkammer durch ein oder mehrere Zwischenvakuumkammern. Jede der Zwischenvakuumkammern wird bei einem Vakuumpegel zwischen denjenigen der vorhergehenden und der folgenden Kammer gehalten. Daher transportiert der Ionenstrahl die Analytionen und geht stufenweise von den Druckpegeln, die der Ionenbildung zugeordnet sind, zu denjenigen des Massenspektrometers über. Bei den meisten Anwendungen ist es wünschenswert, Ionen ohne wesentlichen Ionenverlust durch jede der verschiedenen Kammern eines Massenspektrometersystems zu transportieren. Häufig wird eine Ionenführung verwendet, um Ionen in dem MS-System in einer definierten Richtung zu bewegen.
Ionenführungen verwenden typischerweise elektromagnetische Felder, um die Ionen radial zu begrenzen während der Ionentransport axial ermöglicht oder gefördert wird. Ein Ionenführungstyp erzeugt ein Multipolfeld durch Anlegen einer zeitabhängigen Spannung, die häufig im Hochfrequenz-(HF-)Spektrum liegt. Diese so genannten HF-Multipol-Ionenführungen werden vielseitig eingesetzt beim Übertragen von Ionen zwischen Teilen von MS-Systemen, sowie als Komponenten von Ionenfallen. Häufig werden Ionenführungen auch beim Vorliegen eines Puffergases betrieben, um die Geschwindigkeit von Ionen sowohl in der Axial- als auch Radialrichtung zu reduzieren. Diese Reduktion der Ionengeschwindigkeit in der Axial- und Radialrichtung ist als „Thermalisieren” oder „Kühlen” der Ionenpopulationen bekannt, aufgrund von mehreren Kollisionen von Ionen mit neutralen Molekülen des Puffergases und der daraus resultierenden Übertragung kinetischer Energie. Thermalisierte Strahlen, die in der Radialrichtung komprimiert werden, sind sinnvoll beim Verbessern von Ionenübertragung durch Öffnungen des MS-Systems und Reduzieren von Radialgeschwindigkeitsausbreitung, die in TOF-Instrumenten (TOF = time-of-flight = Laufzeit) ausgebreitet wird. HF-Multipol-Ionenführungen erzeugen einen Pseudopotentialtopf, der Ionen innerhalb der Ionenführung begrenzt.
Strahlbegrenzungsaperturen werden verwendet, um die transversale räumliche Breite und Winkeldivergenz (Strahldivergenz) des Ionenstrahls zu begrenzen. Das Begrenzen der räumlichen Breite und Winkeldivergenz des Ionenstrahls ist sinnvoll, da Ionenbahnen, die zu weit von der Strahlenachse abweichen, entweder in der transversalen Position oder einer Winkelrichtung können zu einer Dispersion in dem Massenanalysator führen. Diese Dispersion in dem Massenanalysator basiert auf Ionenanfangsbedingungen anstatt lediglich auf der Ionenmasse. Beispielsweise hängt in einem „idealen” TOF-MS-System die Ionenlaufzeit nur von der Ionenmasse ab, da dies die zu messende Größe ist. In der Realität hängt die Laufzeit schwach von der genauen räumlichen Position und der Winkelrichtung jedes Ions ab. Die Ausbreitung von Positionen und Winkelabweichungen verursacht eine Ausbreitung der Laufzeit und reduziert die Massenauflösung des TOF-MS-Systems. Folglich sind in vielen Massenanalysatoren die Strahlgröße und Winkeldivergenz begrenzt mit einem Satz von zwei aufeinander folgenden Aperturen in einer feldfreien Region, manchmal bezeichnet als Slicer bzw. Begrenzungseinrichtung, die verhindert, dass Ionen außerhalb des annehmbaren Bereichs in den Analysator eindringen.
Obwohl Strahlbegrenzungsaperturen beim Verbessern der Genauigkeit von Massemessungen sinnvoll sind, haben bekannte MS-Systeme, die Strahlbegrenzungsaperturen in der Ionenführung umfassen, bestimmte Nachteile. Erstens reduzieren Strahlbegrenzungsaperturen die Gesamtmassenspektrometerempfindlichkeit durch Verhindern, dass ein wesentlicher Teil des Ionenstrahls in den Masseanalysator eindringt. Zweitens können Ionen, die auf die Metalloberfläche auftreffen, die die Strahlbegrenzungsapertur aufweist, die Metalloberfläche im Lauf der Zeit verunreinigen und die elektrostatischen Felder in der Umgebung verzerren. Diese Feldverzerrung kann die Ionenstrahlrichtung ändern, was die Massenauflösung und Empfindlichkeit verschlechtern kann, bewirken kann, dass das System instabil wird, und den Strahl insgesamt blockieren kann.
Um die Effekte dieser Probleme in Zusammenhang mit der bekannten Begrenzungseinrichtung zu minimieren, ist es wünschenswert, den Ionenstrahl zu formen, sodass ein großer Teil des Ionenstrahls durch die Aperturen verläuft. Bei bekannten MS-Systemen fokussiert eine Reihe von elektrostatischen Linsen den Ionenstrahl für optimale Kopplung durch die Aperturen der Begrenzungseinrichtung. Bei bekannten MS-Systemen ist jedoch selbst mit optimaler Kopplung die Übertragung durch die Begrenzungseinrichtung durch die Strahlemittanz begrenzt, die definiert ist als das Produkt von Strahlraumgröße und Winkeldivergenz. Diese grundlegende Begrenzung ist eine direkte Konsequenz der Bewahrung der Phasenraumdichte. Reduzieren der Strahlemittanz so weit wie möglich ist daher wünschenswert. Strahlhelligkeit, die definiert ist als der Ionenstrahlstrom geteilt durch die die Strahlemittanz wird durch Reduzieren der Strahlemittanz wünschenswerterweise erhöht. Bekannte Ionenführungen begrenzen eine niedrige Strahlemittanz jedoch nicht auf geeignete Weise.
In einer bekannten Gaspuffervorrichtung erreichen Ionen ein thermisches Gleichgewicht mit dem Puffergas und werden dann nachfolgend beschleunigt auf zumindest mehrere Elektronvolt axialer Energie nach dem Verlassen der gasgefüllten Region. Die endgültige Emittanz hat zwei Beiträge, Winkeldivergenz und räumliche Ausbreitung, die beide durch den Puffergaskühlprozess in der Ionenführung beeinflusst werden. In dem Grenzfall ist die endgültige Winkeldivergenz lediglich gegeben durch das Verhältnis der thermischen Geschwindigkeit zu der axialen Geschwindigkeit, eine Größe, die als die thermische Winkeldivergenz bekannt ist. Praktische Vorrichtungen erreichen beinahe die thermische Divergenz bei Raumtemperatur. Bei bekannten Ionenführungen erfordert das weitere Reduzieren der Winkeldivergenz eine aufwändige Kühlung des Puffergases und wird folglich bei der Massenspektrometrie selten verfolgt.
Außerdem, wie oben angemerkt, wirken viele Massenspektrometerionenquellen effizienter bei vergleichsweise hohem Umgebungsdruck (z. B. nahe 1 atm (760 Torr)). Im Gegensatz dazu arbeiten die meisten Massenspektrometer bei wesentlich niedrigerem Druck. Beispielsweise liegt der Druck, der in der MS-Vakuumkammer gehalten wird, zwischen 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr. Das Übertragen von Ionen zu der Ionenquelle zu der Kammer unter Verwendung vieler bekannter Techniken führt zu beträchtlichen Ionenverlusten.
Obwohl Ionenführungen, wie z. B. bekannte Multipol-Ionenführungen, beim Führen von Ionen in MS-Systemen sinnvoll sind, sind diese bekannten Ionenführungen für die Verwendung bei einem vergleichsweise hohen Druck (z. B. nahe atmosphärischen Temperaturen) nicht praktisch. Genauer gesagt, bei vergleichsweise niedrigem Druck ist Ionenbegrenzung unter Verwendung bekannter Ionen-HF-Multipol-Ionenführungen annehmbar. Ionenbegrenzung und Führung unter Verwendung bekannter Ionenführungen wird jedoch unannehmbar bei einem Druck über einem bestimmten Druck, der weit unter dem geeigneten Druck für die Ionenquelle liegt.
Zwei übliche Probleme begrenzen den maximalen Funktionsdruck für bekannte Ionenführungen. Zunächst sind die Skalenlängen oder der Abstand zwischen den Elektroden der bekannten Ionenführungen zu groß und als eine Folge ist der Druck, bei dem elektrostatischer Durchbruch auftritt, unannehmbar niedrig. Darüber hinaus kann bei einem höheren Druck die HF-Leistung, die erforderlich ist, um geeignete Ionenbegrenzung zu bewirken, für eine praktische Implementierung zu groß sein.
Was daher benötigt wird, ist eine Vorrichtung, die zumindest die Nachteile bekannter oben beschriebener Strukturen überwindet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegenden Lehren sind am besten verständlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den angehängten Figuren. Die Merkmale sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht. Wo es angemessen ist, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MS-Systems gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
5A zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
5B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Austrittslinse gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
8 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MS-Systems gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
9 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MS-Systems gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
Definierte Terminologie
Es ist klar, dass die hierin verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele dient und nicht begrenzend sein soll. Die definierten Begriffe sind zusätzlich zu der technischen und wissenschaftlichen Bedeutung der definierten Begriffe, wie sie auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren klar und angenommen sind.
Die Begriffe „ein” und „der/die/das”, wie sie in der Beschreibung und angehängten Ansprüchen verwendet werden, umfassen sowohl Singular als auch Plural, es sei denn, der Zusammenhang gibt eindeutig etwas anderes vor. Somit umfasst beispielsweise „eine Vorrichtung” eine Vorrichtung und mehrere Vorrichtungen.
Wie er hierin verwendet wird, ist der Begriff „Multipol-Ionenführung” eine Ionenführung, die konfiguriert ist, um ein elektrisches Quadrupol- oder Hexapol- oder Oktopol- oder Dekapol-Feld oder ein Feld mit einem Pol höherer Ordnung einzurichten, um Ionen in einem Strahl zu richten.
Wie sie in der Beschreibung und angehängten Ansprüchen verwendet werden und zusätzlich zu ihren gewöhnlichen Bedeutungen, bedeuten die Begriffe „wesentlich” oder „im Wesentlichen” mit annehmbaren Grenzen oder zu einem annehmbaren Grad. Beispielsweise bedeutet „im Wesentlichen aufgehoben”, dass ein Fachmann auf diesem Gebiet die Aufhebung als annehmbar betrachten würde.
Wie er in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen und zusätzlich zu seiner gewöhnlichen Bedeutung verwendet wird, bedeutet der Begriff „etwa” innerhalb einer annehmbaren Grenze oder zu einer annehmbaren Größe für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet. Beispielsweise bedeutet „etwa”, dass ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet die verglichenen Elemente als gleich betrachten würde.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zu Darstellungs- und nicht Begrenzungszwecken darstellende Ausführungsbeispiele, die spezifische Einzelheiten offenbaren, aufgeführt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Beschreibungen bekannter Systeme, Vorrichtungen, Materialien, Betriebs- und Herstellungsverfahren können ausgelassen werden, um eine Behinderung der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele zu vermeiden. Trotzdem können Systeme, Vorrichtungen, Materialien und Verfahren, die innerhalb des Geltungsbereichs eines oder der Reichweite eines Durchschnittsfachmanns auf diesem Gebiet liegen, gemäß den darstellenden Ausführungsbeispielen verwendet werden.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MS-Systems 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Das MS-System 100 weist eine Ionenquelle 101, eine Ionenführung 102, eine Kollisionskammer 103, einen Masseanalysator 104 und einen Ionendetektor 105 auf. Die Ionenquelle 101 kann eine einer Anzahl bekannter Ionenquellentypen sein. Der Masseanalysator 104 kann einer einer Vielzahl bekannter Masseanalysatoren sein, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, ein Laufzeit-(TOF-)Instrument, ein Fourier-Transformation-MS-Analysator (FTMS), eine Ionenfalle, ein Quadrupolmassenanalysator, oder ein magnetischer Sektoranalysator. Gleichartig dazu ist der Ionendetektor 105 einer einer Vielzahl von bekannten Ionendetektoren.
Die Ionenführung 102 wird nachfolgend in Verbindung mit darstellenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Ionenführung 102 kann in der Kollisionskammer 103 vorgesehen sein, die konfiguriert ist, um eine oder mehrere Druckübergangsstufen bereitzustellen, die zwischen der Ionenquelle 101 und dem Masseanalysator 104 liegen. Da die Ionenquelle 101 normalerweise am oder nahe dem Atmosphärendruck gehalten wird und der Masseanalysator 104 normalerweise bei vergleichsweise hohem Vakuum gehalten wird, kann die Ionenführung 102 gemäß darstellenden Ausführungsbeispielen konfiguriert sein, um von einem vergleichsweise hohen Druck zu einem vergleichsweise niedrigen Druck überzugehen. Die Ionenquelle 101 kann eine einer Vielzahl bekannter Ionenquellen sein und kann zusätzliche Ionenmanipulationsvorrichtungen und Vakuumpartitionen umfassen, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, Skimmer, Multipole, Aperturen, Kleindurchmesserleitungen und Ionenoptik. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel umfasst die Ionenquelle 101 ihr eigenes Massenfilter und die Kollisionskammer 103 kann in einer Kammer (nicht gezeigt) vorgesehen sein. In Massenspektrometersystemen, die eine Kollisionskammer 103 aufweisen, die die Ionenführung 102 umfasst, kann ein neutrales Gas in die enthaltene Kollisionskammer 103 eingeführt werden, um Fragmentierung von Ionen zu ermöglichen, die sich durch die Ionenführung 102 bewegen. Eine solche Kollisionszelle, die in mehreren Masse/Ladungsanalysesystemen verwendet wird, ist in der Technik als „Triple-Quadrupol” oder einfach „QQQ” System bekannt.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist die Kollisionszelle in der Quelle enthalten und die Ionenführung 102 ist in ihrer eigenen Kollisionskammer 103. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Kollisionszelle und die Ionenführung 102 getrennte Vorrichtungen in der gleichen Kollisionskammer 103.
Bei der Verwendung werden Ionen (deren Pfad durch Pfeile gezeigt ist), die in der Ionenquelle 101 erzeugt werden, der Ionenführung 102 bereitgestellt. Die Ionenführung 102 bewegt die Ionen und bildet einen vergleichsweise begrenzten Strahl mit einem definierten Phasenraum, der bestimmt ist durch die Auswahl verschiedener Führungsparameter, wie es nachfolgend näher beschrieben ist. Der Ionenstrahl kommt aus der Ionenführung 102 heraus und wird in den Masseanalysator 104 eingeführt, wo Ionentrennung auftritt. Die Ionen verlaufen von dem Masseanalysator 104 zu dem Ionendetektor 105, wo die Ionen erfasst werden.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ionenführung 200 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Die Ionenführung 200 weist ein erstes Substrat 201 auf, das eine erste Mehrzahl von Elektroden 202 aufweist, die darüber angeordnet sind, und ein zweites Substrat 203, das dem ersten Substrat 201 gegenüber liegt und eine zweite Mehrzahl von Elektroden (in 2 nicht gezeigt) aufweist, die darüber angeordnet sind. Um die Beschreibung zu erleichtern, sind das erste und das zweite Substrat 201, 203 getrennt von den jeweiligen Basen 204, 205 gezeigt. Das erste Substrat 201 liegt dem Substrat 203 gegenüber, mit jeweiligen ersten und zweiten Mehrzahlen von Elektroden, die auf eine gegenüberliegende Weise angeordnet sind. Daher liegt die erste Mehrzahl von Elektroden 202 der zweiten Mehrzahl von Elektroden gegenüber, was in 2 nicht zu sehen ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist ein drittes Substrat 206, das eine dritte Mehrzahl von Elektroden 207 aufweist, über einer Seitenwand 208 der Ionenführung 200 angeordnet. Das dritte Substrat 206 ist im Wesentlichen orthogonal zu den Ebenen des ersten und zweiten Substrats 201, 203 ausgerichtet. Ein viertes Substrat (nicht gezeigt), das eine vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) aufweist, ist gegenüber dem dritten Substrat 206 angeordnet und parallel zu der Ebene des dritten Substrats 206, um vier Seiten der Ionenführung 200 zu vervollständigen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfassen das dritte Substrat 206 und das vierte Substrat (nicht gezeigt) jeweils anstatt einer Mehrzahl von Elektroden ein elektrisch leitfähiges Material, das über jeweilige gesamte Oberflächen angeordnet ist. Es ist anzumerken, dass die Seitenwände (z. B. Seitenwand 408) elektrisch isolierendes Material aufweisen können mit einer darauf angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht oder strukturierten Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Material. Alternativ können die Seitenwände auch aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste bis vierte Substrat Elemente, die getrennt sind von jeweiligen Basen und Seitenwänden und über denselben angeordnet sind. Dies ist jedoch nicht wesentlich und es wird in Betracht gezogen, dass die Mehrzahl von Elektroden direkt auf jeweiligen Basen und Seitenwänden der Ionenführung 200 gebildet sind. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel weisen das erste Substrat 201, das zweite Substrat 203, das dritte Substrat 206 und das vierte Substrat (nicht gezeigt) jeweils ein dielektrisches Material auf, und die erste bis vierte Mehrzahl von Elektroden, die darüber angeordnet sind, weisen jeweils ein elektrisch leitfähiges Material auf, wie z. B. ein Metall oder eine Legierung. Die Elektroden können eine Mehrzahl von Schichten des elektrisch leitfähigen Materials aufweisen. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel können das erste bis vierte Substrat, die erste bis vierte Mehrzahl von Elektroden aufweisen, so sein, wie es in dem U.S.-Patent 5,572,035 an Franzen beschrieben ist, dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Beispielsweise umfassen die erste bis vierte Mehrzahl von Elektroden eine Breite von etwa 5 μm bis etwa 500 μm, eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 50 μm und einen Abstand von etwa 10 μm bis etwa 1000 μm. Vorteilhafterweise sind die erste bis vierte Mehrzahl von Elektroden zugänglich für Kleinabmessungsherstellungsverfahren, die in der Mikroelektronikindustrie üblich sind.
Viele Optionen zum Herstellen der Elektroden sind verfügbar. Photolithographie und physikalische oder chemische Aufbringungsverfahren, die beim Aufbau von elektronischen und Halbleiter-Schaltungen üblich sind, könnten verwendet werden, um die Elektroden zu strukturieren. Zusätzlich könnten auch getrennte gestapelte Platten mit zunehmend kleineren Löchern verwendet werden. Beispielsweise können photolithographische und physikalische oder chemische Aufbringungsverfahren, die bei der Herstellung von elektronischen, mikroelektronischen und Halbleiter-Strukturen üblicherweise verwendet werden, verwendet werden, um die schmalen und schmal beabstandeten Elektroden (z. B. erste Mehrzahl von Elektroden 202) der darstellenden Ausführungsbeispiele herzustellen. Verfahren zum Aufbringen der Elektroden, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen bekannt sind (z. B. bekannte Dünn- und Dickfilmaufbringungen auf Halbleiter- oder Isolier-Substrate) werden in Betracht gezogen. Folglich, und wie es nachfolgend beschrieben ist, kann ein gewünschter Grad an Ionenstrahlbegrenzung und verbesserter Massenbereichsübertragung mit der Ionenführung 200 realisiert werden, die Elektroden aufweist, die unter Verwendung bekannter Verfahren hergestellt werden.
Das erste Substrat 201 und das zweite Substrat 203 bilden Seiten einer ersten Öffnung an einem ersten Ende 209 der Ionenführung 200 und Seiten einer zweiten Öffnung an einem zweiten Ende 210 der Ionenführung 200.
Die erste bis vierte Mehrzahl von Elektroden sind im Wesentlichen parallel auf ihren jeweiligen Substraten und selektiv verbunden mit einer Leistungsversorgung/Spannungsquelle (in 2 nicht gezeigt), die konfiguriert ist, um entgegengesetzte Phasen einer zeitabhängigen Spannung (z. B. einer Hochfrequenz-(HF-)Spannung) an benachbarte Paare der ersten Mehrzahl von Elektroden 202, zwischen benachbarten Paaren der zweiten Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt), zwischen benachbarten Paaren der dritten Mehrzahl von Elektroden 207, und zwischen benachbarten Paaren der vierten Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) anzulegen, um ein Ionen begrenzendes elektrodynamisches Feld in einer Region 211 zwischen dem ersten bis vierten Substrat zu erzeugen. Das begrenzende elektrodynamische Feld reflektiert Ionen zurück zu der Mitte der Region 211 und begrenzt dadurch die Ionen, während dieselben zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 200 verlaufen. Es wird betont, dass bei bestimmten Ausführungsbeispielen die zeitabhängige Spannung nur zwischen den ausgewählten Mehrzahlen von Elektroden von gegenüberliegenden Paaren des ersten bis vierten Substrats angelegt wird. Beispielsweise kann die zeitabhängige Spannung nur an die erste Mehrzahl von Elektroden 202 des ersten Substrats 201 und die zweite Mehrzahl von Elektroden des zweiten Substrats 203 angelegt werden.
Die Wechselspannung ist eine HF-Spannung, die zwischen benachbarten Paaren von Elektroden von jeder der ersten bis vierten Mehrzahl angelegt wird, und erzeugt ein elektrodynamisches Feld in der Region 211. Wie es nachfolgend beschrieben ist, kann sich die Amplitude der HF-Spannung entlang den Längen (parallel zu der z-Richtung des dargestellten Koordinatensystems) der jeweiligen der ersten bis vierten Mehrzahl von Elektroden ändern, um bestimmte gewünschte Ergebnisse zu erreichen. Alternativ wird die Amplitude im Wesentlichen konstant gehalten zwischen jeder der ersten bis vierten Mehrzahl von Elektroden entlang ihren jeweiligen Längen. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel hat die HF-Spannung typischerweise eine Frequenz (ω) in dem Bereich von etwa 1,0 MHz bis etwa 100,0 MHz. Die Frequenz ist einer einer Mehrzahl von Ionenführungsparametern, die sinnvoll sind beim Erreichen einer effizienten Strahlkomprimierung und einem Massenbereich von Analyten. Außerdem, und wie es nachfolgend ausführlicher beschrieben ist, ist eine Gleichspannung ebenfalls angelegt und erzeugt eine elektrische Potentialdifferenz, um Ionen in der z-Richtung zu führen. Wie es nachfolgend näher beschrieben wird, hebt die Potentialdifferenz sinnvollerweise eine Potentialbarriere auf, die durch das elektrodynamische Feld erzeugt wird, und dient dazu, die Ionen von dem Eingang zu dem Ausgang der Ionenführung 200 zu zwingen. Darüber hinaus ermöglicht es die Potentialdifferenz, dass die Ionen jeden Widerstand aufgrund von Puffergas in der Ionenführung 200 überwinden.
Die vergleichsweise schmale Breite und der schmale Abstand der ersten Mehrzahl von Elektroden 202, der zweiten Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) und optional der dritten Mehrzahl von Elektroden 207 und der vierten Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) führt vorteilhafterweise zu einem HF-Feld, das vergleichsweise „nahe” zu den Elektroden und ihrem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Substrat 201, 203, 206 gehalten wird. Daher ist das HF-Feld, das durch die HF-Spannung erzeugt wird, die an die erste Mehrzahl von Elektroden 202, die zweite Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) und optional die dritte Mehrzahl von Elektroden 207 und die vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) angelegt wird, an der Achse 214 unbedeutend. Dies verhindert die Einrichtung eines reflektierenden HF-Felds an dem zweiten Ende 210 und die unerwünschte Reflektion der Ionen an dem zweiten Ende 210 weg von dem zweiten Ende 210 und zu dem ersten Ende 209 der Ionenführung 300 (d. h. in der –z-Richtung des in 2 dargestellten Koordinatensystems).
Wie es nachfolgend näher beschrieben ist, ist eine Leistungsversorgung/Spannungsquelle selektiv mit den Elektroden des ersten bis vierten Substrats verbunden, um einen Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 einzurichten, um eine Drift von Ionen von dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 200 zu bewirken. Falls alternativ das dritte Substrat 206 und das vierte Substrat (nicht gezeigt) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt sind, kann die Leistungsversorgung mit diesen leitfähigen Schichten verbunden sein, um einen Gleichspannungsabfall zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 einzurichten. Allgemeiner gesagt kann die Gleichspannung nur zwischen den ausgewählten Mehrzahlen von Elektroden von gegenüberliegenden Paaren von Elektroden des ersten bis vierten Substrats angelegt werden. Beispielsweise kann die Gleichspannung nur an die dritte Mehrzahl von Elektroden (oder elektrisch leitfähige Schicht) 207 des dritten Substrats 206 und die vierte Mehrzahl von Elektroden (oder elektrisch leitfähige Schicht) des vierten Substrats (nicht gezeigt) angelegt werden.
Es ist anzumerken, dass der Gleichspannungspegel, der an die Mehrzahlen von Elektroden (oder elektrisch leitfähigen Schichten, je nachdem) des ersten bis vierten Substrats an dem ersten Ende 209 angelegt wird, nicht der gleiche ist wie der Gleichspannungspegel, der an die Mehrzahlen von Elektroden des ersten bis vierten Substrats an dem zweiten Ende 210 angelegt wird, um ein elektrisches Gleichfeld und einen Potentialabfall zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 200 bereitzustellen. Bei darstellenden Ausführungsbeispielen ist die Gleichspannungsdifferenz ausgewählt, um alle elektrischen Potentialbarrieren, die durch das elektrische HF-Feld erzeugt werden, aufzuheben, und Ionenstillstand aufgrund von Ionenkollisionen mit einem Puffergas (nicht gezeigt) in der Ionenführung 200 zu überwinden, wodurch die Ionen von dem ersten Ende 209 zu dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 200 gezwungen werden.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind das erste und das zweite Substrat 201, 203 in einer Abwärtsweise „geneigt”, um eine Verjüngung in der Ionenführung 200 zu erzeugen, wie es in 2 dargestellt ist. Erläuternd sind das erste und das zweite Substrat 201, 203 in einem vergleichsweise flachen Winkel relativ zu der Achse 214 angeordnet. Erläuternd sind das erste und das zweite Substrat 201, 203 in einem Winkel von etwa 0,5° bis etwa 10° relativ zu der Achse 214 angeordnet. Es ist klar, dass die Höhe (z-Richtung in der Koordinatenachse von 2) des dritten Substrats 206 und die Höhe des vierten Substrats (nicht gezeigt) an dem zweiten Ende 210 kleiner sind als an dem ersten Ende 209, um diese Verjüngung aufzunehmen. Die Verjüngung stellt eine Öffnung der Ionenführung 200 an dem zweiten Ende 210 bereit, mit einem Bereich, der geringer ist als derjenige einer Öffnung an dem ersten Ende 209 der Ionenführung 200.
Wie es nachfolgend näher beschrieben ist, dient die Verjüngung gemeinsam mit dem begrenzenden elektrischen Feld, das durch die HF-Spannung bereitgestellt wird, dazu, die Ionen weiter zu begrenzen während des Verlaufs zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210, und die Strahlemittanz der Ionenführung 200 zu reduzieren.
In dem in 2 dargestellten Koordinatensystem sind die erste und die zweite Mehrzahl des ersten und des zweiten Substrats 201, 203 in einer Ebene angeordnet, die orthogonal ist zu der x-z-Ebene des in 2 dargestellten Koordinatensystems. Im Gegensatz dazu sind die dritte Mehrzahl von Elektroden 207 des dritten Substrats 206 und die vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) des vierten Substrats (nicht gezeigt) jeweils in der x-z-Ebene des Koordinatensystems von 2 angeordnet.
Bei dem aktuell beschriebenen darstellenden Ausführungsbeispiel ist die Ionenführung 200 an dem ersten Ende 209 mit einer Multipol-Ionenführung 212 gekoppelt. Die Multipol-Ionenführung 212 weist eine Mehrzahl von Stäben 213 auf, in einer konvergierenden Anordnung mit einem Eingang (nicht gezeigt) und einem Ausgang an einem distalen Ende des Eingangs und unmittelbar benachbart zu dem ersten Ende 209 der Ionenführung 200. Bei einem nachfolgend näher beschriebenen darstellenden Ausführungsbeispiel sind die Stäbe 213 um eine Achse 214 angeordnet, die parallel zu der z-Achse in dem gezeigten Koordinatensystem ist, und zwischen dem ersten und zweiten Substrat 201, 203 liegt.
Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel bestehen die Stäbe 213 aus isolierendem Material, das Keramik oder ein anderes geeignetes Material sein kann. Die Stäbe 213 weisen auch eine resistive äußere Schicht (nicht gezeigt) auf. Die resistive äußere Schicht ermöglicht das Anlegen einer Gleichspannungsdifferenz zwischen den jeweiligen ersten Enden und den jeweiligen zweiten Enden der Stäbe 213. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Stäbe 213 konfiguriert sein, wie es in der gemeinschaftlich übertragenen U.S.-Patentanmeldungsveröffentlichung 20100301210 mit dem Titel „Converging Multipole Ion Guide for Ion Beam Shaping” an Bertsch u. a. beschrieben ist. Zusätzlich können die Stäbe 213 so sein, wie es in dem gemeinschaftlich übertragenen U.S.-Patent 7,064,322 mit dem Titel „Mass Spectrometer Multipole Device” an Crawford u. a. beschrieben ist. Die gesamten Offenbarungen der genannten Patentanmeldungsveröffentlichung an Bertsch u. a. und des Patents an Crawford u. a. sind hierin durch Bezugnahme und für alle Zwecke aufgenommen. Die Stäbe 213 können eine leitende innere Schicht und eine resistive äußere Schicht aufweisen, die jeden der Stäbe 213 als einen verteilten Kondensator konfigurieren zum Liefern der HF-Spannung an die resistive Schicht von jedem der Stäbe 213. Die innere leitfähige Schicht liefert die HF-Spannung durch eine dünne Isolationsschicht (nicht gezeigt) an die resistive Schicht. Eine solche Konfiguration ist beschrieben in der hierin aufgenommenen Bezugnahme auf Crawford u. a., und dient dazu, schädliches Erwärmen der Stäbe 213 zu reduzieren, das sich aus induzierten Strömen der HF-Felder ergibt.
Die Multipol-Ionenführung 212 liefert eine erste Begrenzungsstufe für Ionen, die an dem ersten Ende 209 der Ionenführung 200 eindringen. Wie es nachfolgend näher beschrieben wird, wird durch eine Kombination von Ionenbegrenzung durch die elektrodynamischen Felder, die durch die Ionenführung eingerichtet werden, und Kühlen der Ionen, während dieselben zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 200 verlaufen, ein Ionenstrahl realisiert, der vergleichsweise stärker begrenzt ist („heller”) mit einem vergleichsweise großen Massenbereich. Erläuternd begrenzt die Ionenführung 200 den Ionenstrahl innerhalb eines Bereichs von 50 μm bis etwa 150 μm für Massen, die von etwa 50 amu bis etwa 3.000 amu reichen.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung 300 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Viele Einzelheiten der Komponenten und deren Materialien und Funktion sind ähnlich, wenn nicht sogar identisch mit der Beschreibung der oben dargestellten Ionenführung 200. Diese gemeinsamen Einzelheiten werden nicht wiederholt, um eine Behinderung der Beschreibung des aktuell beschriebenen Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
Die Ionenführung 300 weist ein erstes Substrat 301 auf, das eine erste Mehrzahl von Elektroden 302 aufweist, die darüber angeordnet sind, und ein zweites Substrat 303, das dem ersten Substrat 301 gegenüber liegt und eine zweite Mehrzahl von Elektroden 304 aufweist, die darüber angeordnet sind. Das erste Substrat 301 ist über der Basis 204 vorgesehen und das zweite Substrat 303 ist über der Basis 205 angeordnet. Die jeweilige erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 sind auf gegenüberliegende Weise angeordnet. Es ist jedoch anzumerken, dass die Ausrichtung der ersten und zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304 in einer Richtung ist, die orthogonal zu der Ausrichtung der Mehrzahl von Elektroden ist, die in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen von 2 beschrieben sind. Genauer gesagt, die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 sind im Wesentlichen senkrecht zu der x-z-Ebene (d. h. parallel zu der y-Richtung) des in 3 dargestellten Koordinatensystems. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist ein drittes Substrat 305 über einer Seitenwand (in 3 nicht gezeigt) der Ionenführung 300 angeordnet, und ist im Wesentlichen orthogonal zu den Ebenen des ersten und zweiten Substrats 201, 203 ausgerichtet. Ein viertes Substrat (nicht gezeigt), das eine vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) aufweist, ist gegenüber dem dritten Substrat 305 und parallel zu der Ebene des dritten Substrats 305 angeordnet, um vier Seiten der Ionenführung 200 abzuschließen. Erläuternd weist das dritte Substrat 305 eine elektrisch leitfähige Schicht 306 auf, die über ihrer gesamten Oberfläche angeordnet ist. Gleichartig dazu weist das vierte Substrat (nicht gezeigt) ein elektrisch leitfähiges Material (nicht gezeigt) auf, das über seiner gesamten Oberfläche angeordnet ist. Alternativ weist das dritte Substrat 305 eine dritte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) und eine vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) auf, die auf eine gegenüberliegende Weise angeordnet sind, wie es in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen von 2 beschrieben ist.
Eine Leistungsversorgung 307 ist selektiv verbunden, um der Ionenführung 300 eine HF-Spannung und eine Gleichspannung bereitzustellen. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel ist die HF-Spannung zwischen benachbarten Paaren von Elektroden von sowohl der ersten als auch der zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304 angelegt, um ein elektrodynamisches Feld zu erzeugen mit Äquipotentiallinien 309 in einer Region 308 zwischen der ersten und zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304. Gleichartig dazu, falls eine dritte und eine vierte Mehrzahl von Elektroden auf dem dritten Substrat 305 und dem vierten Substrat (nicht gezeigt) aufgenommen werden, wie es durch ein darstellendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Lehren in Betracht gezogen wird, würde die Leistungsversorgung 307 selektiv verbunden sein, um eine HF-Spannung bereitzustellen, die zwischen benachbarten Paaren von Elektroden angelegt wird, die auf dem dritten und vierten Substrat (nicht gezeigt) angeordnet sind, und ein elektrodynamisches Feld mit Äquipotentiallinien 309 in der Region 308 zu erzeugen.
Die vergleichsweise schmale Breite und der schmale Abstand der ersten und zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304 führt vorteilhafterweise zu einem HF-Feld, das vergleichsweise „nahe” zu den Elektroden und ihren jeweiligen Substraten gehalten wird. Daher ist das HF-Feld, das durch die HF-Spannung, die an die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 (und optional die dritte und vierte Mehrzahl von Elektroden) angelegt wird, erzeugt wird, an der Achse 214 unbedeutend. Dies verhindert Reflektion der Ionen an dem zweiten Ende 210 weg von dem zweiten Ende 210 und zu dem ersten Ende 209 der Ionenführung 300 hin (d. h. in der –z-Richtung des in 3 dargestellten Koordinatensystems).
Das HF-Feld, das durch das Anlegen der HF-Spannung an die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 in der Region 308 erzeugt wird, ist konfiguriert, um Ionen weg von dem ersten und zweiten Substrat 301, 303 zu reflektieren oder zurückzustoßen. Ähnlich dazu, falls dritte und vierte Mehrzahlen von Elektroden (nicht gezeigt) in der entgegengesetzten Weise oder gegenüberliegenden Weise vorgesehen sind, wie es oben beschrieben ist, ist das HF-Feld, das durch das Anlegen der HF-Spannung an die dritte und vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) in der Region 308 erzeugt wird, konfiguriert, um Ionen weg von dem dritten Substrat 305 und dem vierten Substrat (nicht gezeigt) zu reflektieren oder abzustoßen. Dieses Abstoßen von Ionen dient dazu, Ionen in der Region 308 zu begrenzen.
Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel wird die Gleichspannung durch die Leistungsversorgung 307 an die erste Mehrzahl von Elektroden 302 und die zweite Mehrzahl von Elektroden 304 angelegt, auf eine Weise, um eine Gleichspannungspotentialdifferenz zu erzeugen, die zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 300 erzeugt wird. Gleichartig dazu, falls eine dritte und eine vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) in der oben beschriebenen gegenüberliegenden Weise vorgesehen sind, wird durch das Anlegen der Gleichspannung an die dritte und vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) in der Region 308 ein Gleichfeld erzeugt.
Bei einem weiteren darstellenden Ausführungsbeispiel weist das dritte Substrat 305 eine elektrisch leitfähige Schicht 306 auf, und das vierte Substrat (nicht gezeigt) weist ein elektrisch resistives Material (nicht gezeigt) auf, die über ihre jeweiligen gesamten Oberflächen angeordnet sind. Die Gleichspannung wird durch die Leistungsversorgung 307 an die elektrisch leitfähige Schicht auf eine Weise angelegt, um eine Gleichspannungspotentialdifferenz zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 300 zu erzeugen.
Die Gleichspannungspotentialdifferenz, die selektiv an die Mehrzahl von Elektroden (z. B. erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304) angelegt wird, oder die elektrisch leitfähigen Schichten (z. B. elektrisch leitfähige Schicht 306) führen zu einer elektrostatischen (Gleichspannungs-)Kraft auf Ionen zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 entlang der Länge (d. h. z-Richtung in dem in 3 dargestellten Koordinatensystem). Die Gleichspannungskraft, die durch die angelegte Gleichspannung bereitgestellt wird, dient dazu, Ionen von dem ersten Ende 209 zu dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 300 zu führen.
Ionen, die in das erste Ende 209 der Ionenführung 300 eingeführt werden, werden durch das HF-Feld reflektiert und gleichzeitig den Driftkräften unterworfen aufgrund des Gleichspannungspotentials, das die Ionen zu dem zweiten Ende 209 der Ionenführung 300 treibt. Aufgrund der Verjüngung der Ionenführung 300 zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 und der Reflektion der Ionen durch das HF-Feld weg von den Seitenwänden und Basen 204, 205, sind die Ionen in der Region 308 an dem zweiten Ende 210 stärker begrenzt als an dem ersten Ende 209. Obwohl die erhöhte Begrenzung dazu dient, die Energieausbreitung der Ionen an dem zweiten Ende 210 zu erhöhen, wie es nachfolgend näher beschrieben ist, dient die Aufnahme eines Puffergases in der Region 308 dazu, die erhöhte Energieausbreitung zu dämpfen, was zu einem Anstieg bei der Helligkeit oder äquivalent einer Reduktion bei der Emittanz in dem komprimierten Ionenstrahl führt. Letztendlich hat der Ionenstrahl, der an dem zweiten Ende 210 bereitgestellt wird, eine „Helligkeit”, die etwa eine Größenordnung heller ist im Vergleich zu Ionenstrahlen, die durch bekannte Ionenführung realisiert werden.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung 400 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Viele Einzelheiten der Komponenten und deren Materialien und Funktionen sind ähnlich, wenn nicht sogar identisch zu den oben in der Beschreibung der Ionenführung 200, 300 präsentierten. Diese gemeinsamen Einzelheiten werden nicht wiederholt, um eine Behinderung der Beschreibung des aktuell beschriebenen Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
Die Ionenführung 400 weist eine erste Mehrzahl von Elektroden 302 und eine zweite Mehrzahl von Elektroden 304 auf, die einander gegenüberliegen. Die erste und die zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 sind in einem vergleichsweise flachen Winkel, erläuternd etwa 0,5° bis etwa 10° relativ zu der Achse 214. Der flache Winkel ermöglicht es dem Puffergas, die erhöhte transversale kinetische Energieausbreitung kontinuierlich zu dämpfen, die sich von der kontinuierlichen räumlichen Größenreduktion ergibt, die durch die Verjüngung der Ionenführung 400 zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 verursacht wird.
Erläuternd sind die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 orthogonal zu der x-z-Ebene in dem in 4 dargestellten Koordinatensystem ausgerichtet. Alternativ könnten die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden wie oben beschrieben angeordnet sein in Verbindung mit den Lehren von 2. Darüber hinaus könnte die Ionenführung 400 auch ein drittes und viertes Substrat (in 4 nicht gezeigt) aufweisen, die in der x-z-Ebene ausgerichtet sind und entweder eine dritte und vierte Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) aufweisen oder im Wesentlichen durch elektrisch leitfähige Schichten bedeckt sind, wie es oben beschrieben ist.
Die Ionenführung 400 weist eine Endwand 401 auf, die an dem zweiten Ende 210 angeordnet ist. Die Endwand 401 weist eine Apertur 402 auf, durch die Ionen verlaufen beim Verlassen der Ionenführung 400. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel weist die Endwand 401 eine Apertur 402 auf, durch die Ionen verlaufen nach der Begrenzung durch die Ionenführung 300 und Kühlen durch ein Puffergas, das in der Region 403 zwischen der ersten und zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304 vorgesehen ist.
Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel ist das Seitenverhältnis (Verhältnis der y-Abmessung zu der x-Abmessung in dem dargestellten Koordinatensystem) der Apertur 402 vergleichsweise klein. Dies stellt einen Ionenstrahl an dem Ausgang der Apertur 402 bereit, der anisotrop ist. Eine anisotrope Apertur ist in MS-Systemen wünschenswert, wo nur eine der Querachsen (z. B. y-Achse bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel) empfindlich ist gegenüber Strahlgröße und Divergenz. Indem es Ionen ermöglicht wird, die unempfindliche Querrichtung zu füllen, ist die Ionenladungsdichte reduziert und folglich sind die Effekte einer unerwünschten Ion-Ion-Abstoßung reduziert. Erläuternd ist das Seitenverhältnis (x/y) etwa 0,01 bis etwa 1,0.
Beim Betrieb werden Ionen an dem ersten Ende 209 eingeführt und verlaufen entlang Bahnen (z. B. Bahn 305) in 4. Die Ionen werden durch das HF-Feld, das durch die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 bereitgestellt wird, reflektiert (z. B. an den Positionen 406 und 407). Gleichzeitig werden die Ionen einem Gleichspannungspotential zwischen dem ersten Ende 209 und dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 400 ausgesetzt. Dieses Gleichspannungspotential richtet die Ionen in der z-Richtung zu der Apertur 402 hin.
Während sich die Ionen dem zweiten Ende 210 nähern, ist die Trennung (x-Richtung) zwischen der ersten Mehrzahl von Elektroden 302 und der zweiten Mehrzahl von Elektroden 304 reduziert aufgrund der Verjüngung der Ionenführung 400, und die Reflektionen durch die erste Mehrzahl von Elektroden 302 und die zweite Mehrzahl von Elektroden 304 fallen in einem flacheren Winkel ein und werden in einem flacheren Winkel relativ zu den jeweiligen Normalvektoren zu der ersten und zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304 reflektiert. Daher sind die Reflektionswinkel der Ionen durch die erste und zweite Mehrzahl von Elektroden 302, 304 (relativ zu der Normalen) im Vergleich zu der Reflektion an der Stelle 406 kleiner. Dies führt zu einem vergleichsweisen Anstieg bei der transversalen kinetischen Energie der Ionen an dem zweiten Ende 210 im Vergleich zu dem ersten Ende 209 der Ionenführung 400. Genauer gesagt, die Begrenzung durch Reflektion von Ionen, während dieselben von dem ersten Ende 209 zu dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 400 verlaufen, führt zu einem Anstieg bei ihren Geschwindigkeitskomponenten in der x-Richtung und der y-Richtung des Koordinatensystems von 4. Der Anstieg bei den transversalen (x, y) Geschwindigkeitskomponenten der Ionen, während dieselben von dem ersten Ende 209 zu dem zweiten Ende 210 der Ionenführung 400 verlaufen, führt zu entsprechenden Anstiegen bei deren kinetischen Energien auf der transversalen (x und y) Richtung des in 4 dargestellten Koordinatensystems. Dieser Anstieg bei den transversalen Komponenten der kinetischen Energie würde normalerweise die Divergenz des Ionenstrahls auf das Verlassen der Apertur 402 hin erhöhen. Die Aufnahme des Puffergases zwischen der ersten und zweiten Mehrzahl von Elektroden 302, 304 dient dazu, die transversalen Komponenten der Geschwindigkeiten (und die kinetische Energie) der Ionen in der transversalen Richtung zu reduzieren. Als Folge des Stoß-„Kühlens” oder „Thermalisierens” der Ionen, das durch das Puffergas bereitgestellt wird, ist der Ionenstrahl, der von der Apertur 402 austritt, „heller” (d. h. stärker begrenzt mit einer vergleichbaren Winkeldivergenz) als derjenige, der durch bekannte Ionenführungen bereitgestellt wird. Genauer gesagt, der Ionenstrahl, der von der Apertur 402 austritt, hat eine ausreichend geringe Emittanz, um durch eine Begrenzungseinrichtung (nicht gezeigt) zu verlaufen. Wie bekannt ist, ist die Emittanz definiert als das Produkt Strahlraumgröße und Winkeldivergenz an einem Strahlfokus. Durch die vorliegenden Lehren haben Ionenstrahlen Emittanzwerte von etwa 0,1 mm·mrad zu etwa 10 mm·mrad.
5A zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung 500 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Bei dem darstellenden Ausführungsbeispiel ist eine Austrittslinse 501, die eine Mehrzahl von Elektroden 502 aufweist, an einem Ausgang einer bekannten Ionenführung oder anderen Struktur vorgesehen, die nützlich ist beim Begrenzen von Ionen in einer MS-Vorrichtung. Beispielsweise kann die bekannte Ionenführung eine Mehrzahl von Stäben aufweisen, die konfiguriert sind, um Ionen zu begrenzen, wie es z. B. beschrieben ist in dem aufgenommenen gemeinschaftlich übertragenen Patent und der Patentanmeldungsveröffentlichung, die oben aufgeführt sind.
Die Austrittslinse 501 weist eine Apertur 503 auf, durch die ein stärker begrenzter Ionenstrahl austritt, nachdem derselbe in der bekannten Ionenführung geführt und gekühlt wird. Die Austrittslinse 501 ersetzt, was herkömmlicherweise die Austrittsapertur oder Austrittslinse einer bekannten Ionenführung ist. Der Ionenstrahl tritt im Wesentlichen orthogonal zu der Austrittslinse 501 durch die Apertur 503 aus. Wie die Ionenführungen, die in Verbindung mit darstellenden Ausführungsbeispielen oben beschrieben wurden, kann die Apertur 503 eher klein sein, um den Ionenstrahl bei seinem Ausgang zu begrenzen. Beispielsweise kann die Apertur 503 im Querschnitt kreisförmig sein und einen Durchmesser von etwa 50 μm aufweisen. Wie es nachfolgend beschrieben wird und wie die Ionenstrahlen, die gemäß obigen darstellenden Ausführungsbeispielen begrenzt sind, ist der Ionenstrahl, der von der Apertur 503 austritt, „heller” (d. h. stärker begrenzt mit einer vergleichbaren Winkeldivergenz) als durch bekannte Ionenführungen realisiert werden kann.
Mit Bezugnahme auf 5A und 5B weist die Austrittslinse 501 eine Mehrzahl von Elektroden 502 auf, die in konzentrischen Kreisen um eine Achse 504 durch die Mitte der Apertur 503 angeordnet sind. Die Mehrzahl von Elektroden 502 ist über einem Substrat 505 vorgesehen. Die Elektroden 502 und das Substrat 505 können aus den Materialien hergestellt sein, die für die Substrate und Mehrzahl von Elektroden der oben beschriebenen darstellenden Ausführungsbeispiele in Bezug auf 2 bis 4 verwendet werden. Die Elektroden 502 haben eine Breite (radiale Abmessung) von etwa 5 μm und einen Abstand von etwa 10 μm, obwohl in Betracht gezogen wird, dass die Breite und der Abstand der Elektroden 502 etwa 1 μm bis etwa 100 μm bzw. etwa 2 μm bis etwa 500 μm sind.
Ionen werden entlang der z-Achse in dem in 5A dargestellten Koordinatensystem gerichtet durch ein elektrisches Gleichfeld, das beispielsweise durch die Stabelektroden (z. B. siehe 6) eingerichtet wird, wie z. B. beschrieben in der U.S.-Patentanmeldungsveröffentlichung 20100301210 oder dem U.S.-Patent 7,064,322 , die durch obige Bezugnahme aufgenommen sind.
Die Austrittslinse 501, die eine Apertur 503 aufweist, ersetzt die Austrittsapertur oder Austrittslinse einer bekannten Ionenführung, wie z. B. einer Stabionenführung oder einer gestapelten Ringionenführung. Eine HF-Spannung wird zwischen benachbarten Paaren von Elektroden 502 angelegt, um ein elektrodynamisches Feld zu erzeugen, das eine Abstoßkraft auf Ionen in der –z-Richtung des in 5A gezeigten Koordinatensystems erzeugt. Daher stößt das elektrodynamisch Feld Ionen ab, während sich dieselben der Austrittslinse 501 nähern, unter dem Einfluss des elektrischen Gleichfelds, das die Ionen in der +z-Richtung und zu der Apertur 503 treibt. Ohne das elektrodynamische Feld, das durch die Austrittslinse 501 erzeugt wird, würden Ionen, die durch das elektrische Gleichfeld gerichtet werden, auf die Austrittsapertur oder Austrittslinse auftreffen und verloren gehen. Darüber hinaus, wie oben angemerkt, kann die Sammlung von Ionen an der Austrittsapertur oder Austrittslinse einer bekannten Ionenführung unerwünschte elektrostatische Felder in der Region nahe der Austrittslinse erzeugen. Das elektrodynamische Feld verhindert vorteilhafterweise den Verlust von Ionen an der Austrittslinse 501 durch Abstoßen der Ionen (in der –z-Richtung in dem dargestellten Koordinatensystem) und in einer Region 506 zwischen den Elektroden der bekannten Ionenführung.
Wie es in 5A dargestellt ist, während Ionen durch das elektrische Gleichfeld in der +z-Richtung von einem ersten Ende 507 zu der Austrittslinse 501 hin gerichtet werden, werden dieselben durch den Ionenteppich in der –z-Richtung reflektiert. Daher ist die Konzentration von Ionen an einer Region 508 größer als die Konzentration an einer Region 509 (wo die „Linien” in den Regionen 508 und 509 sich den Ionenbahnen annähern). Wie die Ionenführungen 200 bis 400 der oben beschriebenen darstellenden Ausführungsbeispiele weist die Ionenführung 500 in der Region 506 ein Puffergas auf. Dieses Puffergas dient dazu, die Ionen, die durch die Austrittslinse 501 reflektiert werden, durch Stöße zu kühlen. Die gekühlten Ionen werden durch das elektrische Gleichfeld zu der Apertur 503 hin gerichtet. Der resultierende Ionenstrahl hat eine wünschenswert kleine Emittanz, sodass ein wesentlicher Anteil des Ionenstrahls durch die nachfolgenden Begrenzungseinrichtungsaperturen verläuft. Auf eine ähnliche Weise wie die oben in Verbindung mit den Ionenführungen 200–400 beschriebene ist der austretende Ionenstrahl durch die Austrittslinse 501 räumlich stärker begrenzt mit einer vergleichbaren Winkeldivergenz (d. h. „heller”) als Ionenstrahlen von bekannten Ionenführungen.
Durch Einbauen einer vergleichsweise kleinen Apertur 503 ist die Emittanz des austretenden Strahls klein genug, dass ein wesentlicher Teil des Ionenstrahls durch die nachfolgenden Aperturen des MS-Systems verläuft.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ionenführung 600 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Viele Einzelheiten der Komponenten und deren Materialien und Funktion sind ähnlich, wenn nicht sogar identisch, mit der oben präsentierten Beschreibung der Ionenführung 500. Diese gemeinsamen Einzelheiten werden nicht wiederholt, um eine Behinderung der Beschreibung des aktuell beschriebenen Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
Bei dem darstellenden Ausführungsbeispiel weist eine Austrittslinse 601 eine Apertur 602 auf, und eine Mehrzahl von Elektroden 603 ist an einem Ausgang einer bekannten Ionenführung oder anderen Struktur vorgesehen, die nützlich ist, um Ionen in einer MS-Vorrichtung zu begrenzen. Beispielsweise weist die bekannte Ionenführung eine Mehrzahl von Stäben 604 auf, die konfiguriert ist, um Ionen zu begrenzen, wie sie z. B. beschrieben sind in dem aufgenommenen gemeinschaftlich übertragenen Patent und der Patentanmeldungsveröffentlichung, die oben aufgeführt sind.
Wie es oben beschrieben ist, wird eine HF-Spannung zwischen benachbarten Paaren der Mehrzahl von Elektroden 603 angelegt, die ein elektrodynamisches Feld erzeugt. Das elektrodynamische Feld wird nahe zu einer Oberfläche 605 der Austrittslinse 601 gehalten und stößt Ionen ab, wenn sich dieselben der Austrittslinse 601 nähern, unter dem Einfluss des elektrischen Gleichfelds von den Stäben 604, das die Ionen in der +z-Richtung und zu der Apertur 602 hin treibt. Ohne das elektrodynamische Feld, das durch die Mehrzahl von Elektroden 603 der Austrittslinse 601 erzeugt wird, würden Ionen, die durch das elektrische Gleichfeld gerichtet werden, auf die Oberfläche 605 (x-y-Ebene des Koordinatensystems von 6) der Austrittslinse 601 auftreffen und verloren gehen. Darüber hinaus, wie es oben angemerkt wurde, kann die Sammlung von Ionen (Raumladung) auf der Oberfläche 605 der Austrittslinse 601 unerwünschte elektrostatische Felder in der Region nahe der Austrittslinse erzeugen. Die Austrittslinse 601 verhindert vorteilhafterweise die Sammlung von Ionen durch Abstoßen der Ionen (in der –z-Richtung) und in einer Region 606 zwischen den Stäben 604.
Die Austrittslinse 601 ersetzt, was herkömmlicherweise die Austrittsapertur oder Austrittslinse einer herkömmlichen Ionenführung ist, wie z. B. einer gestapelten Ringionenführung. Wie die Ionenführungen, die oben in Verbindung mit darstellenden Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kann die Apertur 602 eher klein sein, um den Ionenstrahl an seinem Ausgang zu begrenzen. Beispielsweise kann die Apertur 602 im Querschnitt rechteckig sein, wie es in 6 dargestellt ist, und eine Breite (Abmessung in der y-Richtung des Koordinatensystems von 6) von etwa 500 μm und eine Höhe (Abmessung in der x-Richtung) von etwa 50 μm aufweisen. Erläuternd beträgt der Abstand der Mehrzahl von Elektroden 603 etwa 10 μm. Wie es oben beschrieben ist, wird durch Bereitstellen einer Mehrzahl von Elektroden, die eine vergleichsweise schmale Breite und einen kleinen Abstand haben, das elektrodynamische Feld, das durch das Anlegen einer HF-Spannung an jede der Mehrzahl von Elektroden 603 erzeugt wird, nahe zu der Oberfläche 605 der Austrittslinse 601 gehalten.
Durch Verwenden solch einer kleinen Apertur 602 ist die Emittanz des austretenden Strahls klein genug, dass ein wesentlicher Teil des Ionenstrahls durch die nachfolgenden Aperturen verläuft. In dem bestimmten Fall, der in der Figur gezeigt ist, ist die Apertur 602 rechteckig und die Mehrzahl von Elektroden 603 sind parallele lineare Elektroden. In der Tat ist es bei vielen Systemen wahrscheinlich vorteilhaft, eine asymmetrische Austrittsapertur mit hohem Seitenverhältnis zu haben, wie z. B. die Apertur 602. Wie es oben angemerkt wurde, reduziert diese Asymmetrie vorteilhafterweise die unerwünschten Effekte der Ion-Ion-Abstoßung durch Reduzieren der Ladungsdichte.
Wie die Ionenstrahlen, die gemäß darstellenden obigen Ausführungsbeispielen begrenzt sind, ist der Ionenstrahl, der von der Apertur 602 austritt „heller” (d. h. begrenzter mit einer vergleichbaren Winkeldivergenz) als durch bekannte Ionenführungen realisiert werden kann.
7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ionenführung 700 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Bei dem darstellenden Ausführungsbeispiel ist eine Austrittslinse 701, die ein Substrat 702 und eine Mehrzahl von Elektroden 703 aufweist, die über dem Substrat 702 angeordnet sind, an einem Ausgang einer bekannten Ionenführung oder anderen Struktur vorgesehen, die sinnvoll ist beim Begrenzen von Ionen in einer MS-Vorrichtung. Die Mehrzahl von Elektroden 703 können konzentrische kreisförmige Elektroden sein, wie diejenigen, die in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen von 5A, 5B beschrieben sind. Alternativ können die Mehrzahl von Elektroden 703 parallele lineare Elektroden sein, wie diejenigen, die in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen von 6 beschrieben sind.
Die bekannte Ionenführung weist eine Mehrzahl von Elektroden 704 auf, die konfiguriert sind, um Ionen zu begrenzen. Erläuternd weisen die Elektroden 704 eine Reihe von Elektroden auf, die fortlaufend schmalere Öffnungen in der z-Richtung und näher zu einer Apertur 705 der Austrittslinse 701 aufweisen. Die Elektroden 704 können so sein, wie es beispielsweise in den U.S.-Patenten 6,107,628 an Smith u. a.; 6,583,408 an Smith u. a.; und U.S.-Patent 7,495,212 an Kim u. a. beschrieben ist. Die jeweiligen gesamten Offenbarungen der Patente an Smith u. a. und des Patents an Kim u. a. sind hierin durch Bezugnahme besonders aufgenommen.
Bei dem darstellenden Ausführungsbeispiel weist die Austrittslinse 701 eine Apertur 705 auf. Wie es oben beschrieben ist, ist eine HF-Spannung zwischen benachbarten Paaren der Mehrzahl von Elektroden 703 angelegt, die ein elektrodynamisches Feld erzeugt. Das elektrodynamische Feld wird nahe zu der Oberfläche der Austrittslinse 701 gehalten und stößt Ionen ab, während sich dieselben der Austrittslinse 701 nähern unter dem Einfluss des elektrischen Gleichfelds von den Elektroden 704, das die Ionen in der +z-Richtung und zu der Apertur 602 hin treibt. Ohne das elektrodynamische Feld, das durch die Mehrzahl von Elektroden 703 der Austrittslinse 701 erzeugt wird, würden Ionen, die durch das elektrische Gleichfeld gerichtet werden, auf eine Oberfläche 707 (in der x-y-Ebene des Koordinatensystems von 7) des Substrats 702 auftreffen und verloren gehen. Darüber hinaus, wie oben angemerkt, kann die Sammlung von Ionen (Raumladung) auf der Oberfläche 707 unerwünschte elektrostatische Felder in der Region nahe der Austrittslinse 701 erzeugen. Die Austrittslinse 701 verhindert vorteilhafterweise die Sammlung von Ionen durch Abstoßen der Ionen (in der –z-Richtung) und in einer Region 708 zwischen den Elektroden 704.
Ionenbahnen sind in der Region 708 als Linien dargestellt. An einem Eingang 709 der Ionenführung 700 sind die Ionen weniger begrenzt (Linien der Bahnen sind weniger dicht). Die Ionen sind jedoch stärker begrenzt benachbart zu der Austrittslinse 701, beispielsweise in der Region 710. So wird durch eine Kombination von erhöhter Ionenbegrenzung, bereitgestellt durch die Elektroden 704, die Reflektion von Ionen durch die Austrittslinse 701 und den Kühlungseffekt des Puffergases (nicht gezeigt), das in der Region 708 vorgesehen ist, ein vergleichsweise stärker begrenzter Ionenstrahl mit einer vergleichbaren Winkeldivergenz (d. h. „heller”) realisiert.
Wie es oben angemerkt wurde, sind viele bekannte Ionenbegrenzungsstrukturen und Ionenführungen in der Funktion begrenzt, außer bei vergleichsweise niedrigem Druck (z. B. 30 Torr oder niedriger), dennoch kann der Übergang von der Ionenquelle zu der Vakuumkammer Drücke von nahe dem Atmosphärendruck (760 Torr) an der Ionenquelle bis zu Hochvakuumpegeln von 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr in der MS-Vakuumkammer überspannen. Obwohl viele bekannte Multipol-(z. B. Stab- und gestapelte Ring-)Ionenführungen konfiguriert sind, um bei vergleichsweise niedrigem Druck (z. B. in der MS-Vakuumkammer) zu funktionieren, ist deren Funktion bei einem höheren Druck inakzeptabel. Es ist anzumerken, dass bei einem höheren Druck (z. B. über etwa 30 Torr) elektrostatischer Durchbruch auftreten kann bei unannehmbar niedrigen Durchbruchspannungen (V_B). Ein Faktor, der zu dem Durchbruch beiträgt, ist der vergleichbar große Zwischenraum oder Abstand zwischen den Elektroden in diesen bekannten Vorrichtungen. Da der Zwischenraum vergleichsweise groß ist und die mittlere freie Weglänge von Elektroden vergleichsweise klein ist, ist die Anzahl von Elektrodenstreuereignissen vergleichsweise groß. Dies führt zu einem elektrischen Durchbruch des Mediums bei der bekannten Ionenführung.
Das Paschensche Gesetz kann ein besseres Verständnis bereitstellen der Durchbruchspannung des darunter liegenden Mediums liefern. Das Paschensche Gesetz bestimmt die Beziehung der Durchbruchspannung (V_B) von Gas zwischen parallelen Platten (Elektroden) als eine Funktion des Drucks. Die Paschenkurve zeigt die Durchbruchspannung (V_B) über dem Produkt des Drucks und des Zwischenraumabstands (pd). Für ein gegebenes Medium hat die Paschenkurve eine minimale Durchbruchspannung. Nach „links” (unteres pd) der minimalen Durchbruchspannung erhöht sich die Durchbruchspannung. Nach „rechts” (höheres pd) erhöht sich die minimale Durchbruchspannung der Paschenkurve für das bestimmte Medium ebenfalls. Ein Betrieb „rechts” von dem Paschenkurvenminimum führt zu einer Reduktion bei der Durchbruchspannung mit abnehmendem Druck, was unerwünscht ist. Daher ziehen die vorliegenden Lehren die Auswahl des Zwischenraumabstands und des Drucks für den Betrieb „links” von der minimalen Durchbruchspannung der Paschenkurve in Betracht. Genauer gesagt, und wie es nachfolgend näher beschrieben ist, ist der Elektrode-Elektrode-Zwischenraum reduziert im Vergleich zu einer bekannten Ionenführungsstruktur, um den Betrieb bei höherem Druck zu fördern. Dies führt zu einer beträchtlichen Reduktion der Streuereignisse zwischen den Zwischenräumen. Auf diese Weise ist die Ionenführung von der Ionenquelle (nominal bei Atmosphärendruck) und über den Weg zu der MS-Vakuumkammer wesentlich verbessert mit geringeren Ionenverlusten aufgrund schwacher Begrenzung und Führung.
8 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MS-Systems 800 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Das MS-System 800 weist eine Ionenquelle 801 auf, die Ionen 802 an einen Gasbegrenzer 803 („Einlass”) liefert. Das MS-System 800 weist eine Ionenführung 804 auf. Bemerkenswerterweise kann der Gasbegrenzer 803 eine Grenzflächenkapillare sein und einen runden oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ kann der Gasbegrenzer 803 eine Querschnittsform aufweisen, die mit der Querschnittsform der Ionenführung 804 zusammenpasst (z. B. rechteckig). Vorteilhafterweise bieten „flache” Gasbegrenzer bessere Strahlanpassung an die planaren Seiten der Ionenführung 804, sowie verbesserte Übertragungscharakteristika, wenn Effekte wie z. B. Ionendiffusion und Ion-Ion-Abstoßungen betrachtet werden.
Das MS-System 800 weist auch eine MS-Vakuumkammer 805 auf. Die MS-Vakuumkammer 805 weist verschiedenen Komponenten des MS-Systems 800, wie z. B. Ionenführungen, Ionenoptik und andere Komponenten auf, die üblicherweise bei vergleichsweise niedrigem Druck betrieben werden.
Die Ionenquelle 801 wird bei einem vergleichsweise hohen Druck (z. B. 760 Torr) betrieben und, wie es nachfolgend näher erläutert wird, ist die Ionenführung 804 konfiguriert, um bei vergleichsweise höherem Druck zu arbeiten, da Ionen über abnehmende Drücke zwischen der Ionenquelle 801 und der MS-Vakuumkammer 805 geliefert werden.
Die Ionenführung 804 weist zumindest zwei gegenüberliegende Substrate auf, die jeweils eine Mehrzahl von Elektroden aufweisen, die darüber angeordnet sind, wie z. B. die Ionenführungen 200, 300 der darstellenden Ausführungsbeispiele. Bei dem darstellenden Ausführungsbeispiel weist die Ionenführung 804 eine erste Öffnung 806 und eine zweite Öffnung 807 gegenüber der ersten Öffnung 806 auf. Die erste und zweite Öffnung 806, 807 sind so dargestellt, dass sie im Wesentlichen der gleiche Bereich sind (d. h. die gegenüberliegenden Substrate der Ionenführung sind parallel). Dies ist lediglich darstellend und es wird daher in Betracht gezogen, dass der Bereich der ersten Öffnung 806 größer ist als der der zweiten Öffnung 807 (z. B. wie es in 2 dargestellt ist).
Der Druck in der Region 808 an dem Gasbegrenzer 803 ist vergleichsweise hoch (z. B. in der Größenordnung von Atmosphärendruck). Somit bleibt an der ersten Öffnung 806 der Ionenführung 804 der Druck vergleichsweise hoch. In der Region 809 nahe der zweiten Öffnung 807 der Ionenführung 804 ist jedoch der Druck reduziert. Zu Darstellungszwecken ist der Druck in der Region 808 in dem Bereich von etwa 300 Torr bis etwa 760 Torr, während in der Region 809 der Druck in dem Bereich von etwa 30 Torr bis etwa 3 Torr liegt. Schließlich ist der Druck in der MS-Vakuumkammer 805 vergleichsweise niedrig (z. B. 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr). Vorteilhafterweise ist die Ionenführung 804 der vorliegenden Lehren konfiguriert, Ionen zu begrenzen und zu führen über die Druckänderung hinweg von der ersten Öffnung 806 zu der zweiten Öffnung 807. Etwas anders ausgedrückt, die Ionenführung 804 ist konfiguriert, um „links” von der minimalen Durchbruchspannung der Paschenkurve zu arbeiten (auch bezeichnet als das Paschenkurvenminimum). Auf diese Weise, während der Druck reduziert wird, wird die Durchbruchspannung (V_B) erhöht, und Probleme wie z. B. Durchbruch bei höheren Drücken, die bei bekannten MultipolIonenführungen üblich sind, werden durch die Ionenführungen der vorliegenden Lehren im Wesentlichen vermieden.
Um einen Betrieb „links” von dem Paschenkurvenminimum sicherzustellen, ist der Zwischenraum zwischen Elektroden gewählt, um klein genug zu sein, dass über einen Bereich von vergleichsweise höheren Drücken (z. B. Atmosphärendruck bis etwa 30 Torr) ein elektrischer Durchbruch vermieden wird. Zu Darstellungszwecken ist das Paschenkurvenminimum für Luft nahe dem Druck-Zwischenraum-Produkt (p – d der Paschenkurve) von 1 atm–8 μm und tritt bei einer Spannung von etwa 330 V auf. Wenn daher die Beabstandung der Elektroden in der Ionenführung 804 so gewählt ist, dass dieselbe etwa 8 μm oder weniger beträgt, kann die Ionenführung 804 bei etwa Atmosphärendruck (oder niedriger) ohne Durchbruch funktionieren. Wie es oben angemerkt wurde, haben die Elektroden von darstellenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Lehre eine Breite von etwa 5 μm bis etwa 500 μm, eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 50 μm und einen Abstand von etwa 10 μm bis etwa 1.000 μm. Daher kann der Zwischenraum zwischen Elektroden, der teilweise das Paschenminimum festlegt, ausgewählt sein, um geringer als etwa 8 μm zu sein, und die Ionenführung 804 kann über den gesamten Druckbereich arbeiten von dem Druck (z. B. etwa 760 Torr) an der Ionenquelle 801 zu der MS-Vakuumkammer 805 (z. B. 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr) und Drücken dazwischen entlang dem Ionenweg, ohne Bedenken, dass ein Durchbruch auftritt.
9 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MS-Systems 900 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Das MS-System 900 weist eine Ionenquelle 801 auf, die Ionen 802 direkt an die Ionenführung 804 liefert (d. h. ohne ein Zwischenelement, wie z. B. einen Gasbegrenzer 803). Insbesondere dient bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Ionenführung 804 als die Grenzflächenkapillare des MS-Systems 900. Wie es oben angemerkt wurde, bieten „flache” Gasbegrenzer bessere Strahlanpassung an die planaren Seiten der Ionenführung 804 sowie verbesserte Übertragungscharakteristika, wenn Effekte, wie z. B. Ionendiffusion und Ion-Ion-Abstoßungen betrachtet werden. Daher liefert die Verwendung der Ionenführung 804 als Grenzflächenkapillare des MS-Systems 900 verbesserte Übertragungscharakteristika.
Das MS-System 900 weist eine MS-Vakuumkammer 805 auf, die verschiedene Komponenten des MS-Systems 900 umfasst, wie z. B. Ionenführungen, Ionenoptik und andere Komponenten, die üblicherweise bei vergleichsweise niedrigem Druck betrieben werden.
Die Ionenquelle 801 wird bei einem vergleichsweise hohen Druck (z. B. 760 Torr) betrieben, und die Ionenführung 804 ist konfiguriert, um bei vergleichsweise höherem Druck zu arbeiten, während Ionen über sich verringernde Drücke zwischen der Ionenquelle 801 und der MS-Vakuumkammer 805 geliefert werden.
Die Ionenführung 804 weist zumindest zwei gegenüberliegende Substrate auf, die jeweils eine Mehrzahl von Elektroden aufweisen, die darüber angeordnet sind, wie z. B. Ionenführungen 200, 300 von darstellenden Ausführungsbeispielen. Bei dem darstellenden Ausführungsbeispiel weist die Ionenführung 804 eine erste Öffnung 901 und eine zweite Öffnung 902 auf, die der ersten Öffnung 901 gegenüber liegt. Die erste und die zweite Öffnung 901, 902 sind dargestellt, dass dieselben im Wesentlichen der gleiche Bereich sind (d. h. die gegenüberliegenden Substrate der Ionenführung sind parallel). Dies ist jedoch lediglich darstellend und es wird in Betracht gezogen, dass der Bereich der ersten Öffnung 901 größer ist als die zweite Öffnung 902 (z. B. wie es in 2 dargestellt ist).
Der Druck in der Region 903 nahe der ersten Öffnung 901 ist vergleichsweise hoch (z. B. in der Größenordnung von Atmosphärendruck). Somit bleibt der Druck an der ersten Öffnung 901 der Ionenführung 804 vergleichsweise hoch. In der Region 904 nahe der zweiten Öffnung 902 der Ionenführung 804 ist jedoch der Druck reduziert. Erneut ist der Druck in der Region 903 zu Darstellungszwecken in dem Bereich von etwa 300 Torr bis etwa 760 Torr, während der Druck in der Region 904 in dem Bereich von etwa 30 Torr bis etwa 3 Torr reicht. Schließlich ist der Druck in der MS-Vakuumkammer 805 vergleichsweise niedrig (z. B. 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr). Vorteilhafterweise ist die Ionenführung 804 der vorliegenden Lehren konfiguriert, um Ionen über die Änderung im Druck von der ersten Öffnung 806 zu der zweiten Öffnung 807 zu begrenzen und zu führen. Anders ausgedrückt, die Ionenführung 804 ist konfiguriert, um nach „links” von der minimalen Durchbruchspannung der Paschenkurve zu arbeiten (auch als Paschenkurvenminimum bezeichnet). Auf diese Weise, während der Druck reduziert wird, ist die Durchbruchspannung (V_B) erhöht, und Probleme, wie z. B. Durchbruch bei höheren Drücken, die bei bekannten Multipol-Ionenführungen üblich sind, werden durch die Ionenführungen der vorliegenden Lehre im Wesentlichen vermieden.
Um einen Betrieb „links” von dem Paschenkurvenminimum sicherzustellen, ist der Zwischenraum zwischen den Elektroden gewählt, um klein genug zu sein, dass über einen Bereich von vergleichsweise höheren Drücken (z. B. Atmosphärendruck bis etwa 30 Torr) elektrischer Durchbruch vermieden wird. Zu Darstellungszwecken ist das Paschenkurvenminimum für Luft nahe dem Druck-Zwischenraum-Produkt (p – d der Paschenkurve) von 1 atm–8 μm und tritt bei einer Spannung von etwa 330 V auf. Daher kann, wenn die Beabstandung der Elektroden in der Ionenführung 804 als etwa 8 μm oder weniger ausgewählt ist, die Ionenführung 804 bei etwa Atmosphärendruck (oder niedriger) ohne Durchbruch funktionieren. Wie es oben angemerkt wurde, haben die Elektroden von beispielhaften Ausführungsbeispielen der vorliegenden Lehre eine Breite von etwa 5 μm bis etwa 500 μm, eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 50 μm und einen Abstand von etwa 10 μm bis etwa 1.000 μm. Daher kann der Zwischenraum zwischen Elektroden, der teilweise das Paschenminimum festlegt, ausgewählt sein, um geringer als etwa 8 μm zu sein, und die Ionenführung 804 kann über den gesamten Druckbereich von dem Druck (z. B. etwa 760 Torr) bei der Ionenquelle 801 zu der MS-Vakuumkammer 805 (z. B. 10^–4 Torr bis 10^–8 Torr) und Drücke dazwischen entlang dem Ionenweg arbeiten, ohne Bedenken, dass ein Durchbruch auftritt.
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts 1000 einer Ionenführung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Der Abschnitt 1000 ist ein Abschnitt einer Seite der Ionenführung und wird präsentiert, um bestimmte Variationen der Struktur zu beschreiben, um die Leistungsfähigkeit von Ionenführungen weiter zu verbessern, die bei vergleichsweise hohen Drücken arbeiten (z. B. mehr als etwa 30 Torr). Viele Aspekte des Abschnitts 1000 der Ionenführung sind oben in Verbindung mit anderen darstellenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Diese gemeinsamen Aspekte werden nicht wiederholt, um eine Behinderung der Beschreibung der darstellenden Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
Der Abschnitt 1000 weist ein Substrat 1001 auf, das ein dielektrisches Material aufweist, mit einer elektrisch leitfähigen Masseebene 1002, die über einer Seite des Substrats 1001 angeordnet ist und einer Mehrzahl von Elektroden 1003, die über einer gegenüberliegenden Seite des Substrats 1001 angeordnet sind. Darüber hinaus ist eine Mehrzahl von Gräben 1004 zwischen den Elektroden 1003 vorgesehen. Die Gräben 1004 sind beispielsweise gebildet durch Ätzen des Substrats 1001. Die Gräben haben eine Breite 1005 gleich der Beabstandung zwischen benachbarten Paaren von Elektroden 1003. Die Gräben 1004 haben eine Tiefe 1006, die in der Größenordnung von etwa ein- bis etwa dreimal größer ist als die Breite der Elektroden 1003. Daher haben die Gräben 1004 eine Tiefe von etwa 5 μm bis etwa 15 μm (d. h. für Elektroden 1003 mit einer Breite von etwa 500 μm).
Die Gräben reduzieren das Auftreten eines elektrischen Durchbruchs über der Oberfläche des Substrats 1001 und zwischen den Elektroden 1003 (ein Phänomen, das als „Überschlag” bekannt ist). Es ist anzumerken, dass Gräben 1004 auch dazu dienen, die Kapazität der Ionenführung zu reduzieren, was wiederum dazu beiträgt, den HF-Strom und schließlich die Leistung, die durch die Ionenführung dissipiert wird, zu minimieren. Ferner ist ein Dielektrikum/Isolator entfernt von dem Substrat 1001, um die Gräben zu bilden, wodurch der Abstand zwischen der Unterseite der Gräben 1004 und den Ionen (nicht gezeigt), die durch die Ionenführung verlaufen, erhöht wird, was Probleme im Zusammenhang mit Ladung weiter reduziert. Genauer gesagt, Ionen, die auf der Oberfläche eines Dielektrikums aufgebracht sind (z. B. der Oberfläche des Substrats 1001) werden nicht unmittelbar neutralisiert, da sich dieselben auf einer Metalloberfläche befinden (z. B. der Oberfläche der Elektroden 1003). Daher ändern die Ionen, die sich auf der Oberfläche des Substrats bilden, das elektrische Feld in der nahen Region. Das geänderte elektrische Feld stößt Ionen ab und kann dieselben daran hindern, die Ionenführung zu durchlaufen oder bewirken, dass dieselben umgelenkt werden. Das Bereitstellen von Gräben 1004 dient dazu, die dielektrische Oberfläche des Substrats 1001 weg von der Region der Ionenbegrenzung anzuordnen, wodurch die nachteiligen Effekte der Ladung reduziert werden, die sich auf der Oberfläche des Substrats 1001 ansammeln kann.
Hinsichtlich dieser Offenbarung wird angemerkt, dass die Verfahren und Vorrichtungen implementiert werden können, wenn die vorliegenden Lehren eingehalten werden. Ferner sind die verschiedenen Komponenten, Materialien, Strukturen und Parameter lediglich zu Darstellungs- und Beispielszwecken und nicht in einem begrenzenden Sinne enthalten. Hinsichtlich dieser Offenbarung können die vorliegenden Lehren in anderen Anwendungen implementiert werden, und Komponenten, Materialien, Strukturen und Ausrüstung, die benötigt werden, um diese Anwendungen zu implementieren, können innerhalb des Schutzbereichs der anhängigen Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Ein Massenspektrometer mit einem Einlass, der bei einem ersten Druck gehalten wird, und einer Region, die bei einem zweiten Druck gehalten wird, der geringer ist als der erste Druck, wobei der Einlass konfiguriert ist, um eine Ionenführung (102) aufzunehmen, wobei die Ionenführung (102) folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (1001), das eine Mehrzahl von Elektroden (1003) aufweist, die darüber angeordnet ist, wobei das Substrat (1001) eine erste Öffnung (806) an einem ersten Ende (209) und eine zweite Öffnung (807) an einem zweiten Ende (210) bildet, wobei die erste Öffnung (806) konfiguriert ist, um Ionen (802) bei dem ersten Druck zu empfangen; eine Einrichtung zum Anlegen einer Hochfrequenz-(HF-)Spannung zwischen benachbarten Paaren der Mehrzahl von Elektroden (1003), wobei die HF-Spannung ein Feld in einer Region erzeugt, die durch das Substrat (1001) definiert ist; und eine Einrichtung zum Anlegen eines Gleichspannungsabfalls entlang einer Länge von jeder der Mehrzahl von Elektroden (1003).
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (1001) ein erstes Substrat (201) ist, und die Mehrzahl von Elektroden (1003) eine erste Mehrzahl von Elektroden (1003) ist, wobei die Ionenführung (102) ferner folgende Merkmale aufweist: ein zweites Substrat (203), das eine zweite Mehrzahl von Elektroden (1003) aufweist, die darüber angeordnet ist, wobei das erste Substrat (201) und das zweite Substrat (203) Seiten der ersten Öffnung (806) an dem ersten Ende (209) und Seiten der zweiten Öffnung (807) an dem zweiten Ende (210) bilden.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 2, bei dem die erste Öffnung (806) einen ersten Bereich aufweist und die zweite Öffnung (807) einen zweiten Bereich aufweist, der kleiner ist als der erste Bereich.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 2, bei dem die erste Öffnung (806) einen ersten Bereich aufweist und die zweite Öffnung (807) einen zweiten Bereich aufweist, der im Wesentlichen gleich ist wie der erste Bereich.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (1001) planar ist.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 2, bei dem das erste Substrat (201) im Wesentlichen planar ist und das zweite Substrat (203) im Wesentlichen planar ist.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 1, das ferner einen Grenzflächenbegrenzer aufweist, der zwischen einer Ionenquelle (101) und der Ionenführung (102) angeordnet ist, wobei die Ionenquelle (101) bei einem dritten Druck ist, der größer ist als der erste Druck.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 2, das ferner ein drittes Substrat (206), das über einer Seitenwand (208) der Ionenführung (102) angeordnet ist, und ein viertes Substrat aufweist, das über einer anderen Seitenwand der Ionenführung (102) angeordnet ist.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 8, bei dem das dritte Substrat (206) und das vierte Substrat jeweils ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, das über jeweiligen gesamten Oberflächen des dritten und vierten Substrats angeordnet ist.
Ein Massenspektrometer gemäß Anspruch 9, bei dem das dritte Substrat (206) eine dritte Mehrzahl von Elektroden (1003) aufweist, die darüber angeordnet ist, und das vierte Substrat eine vierte Mehrzahl von Elektroden aufweist, die darüber angeordnet ist.
Eine Ionenführung (102), die folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von ersten Elektroden (1003), die um eine Achse (214) angeordnet ist; eine erste Öffnung (806) an einem ersten Ende (209) der Mehrzahl von ersten Elektroden (1003); eine zweite Öffnung (807) an einem zweiten Ende (210) der Mehrzahl von ersten Elektroden (1003); ein Substrat (1001), das eine Mehrzahl von zweiten Elektroden aufweist, die darüber angeordnet ist, wobei das Substrat (1001) im Wesentlichen orthogonal zu der zweiten Öffnung (807) angeordnet ist und eine dritte Öffnung aufweist, die im Wesentlichen mit der zweiten Öffnung (807) ausgerichtet ist; und eine Einrichtung zum Anlegen einer Hochfrequenz-(HF-)Spannung zwischen benachbarten Paaren der ersten Elektroden (1003) und zwischen benachbarten Paaren der zweiten Elektroden, wobei die HF-Spannung in einer Region zwischen den Stäben (213) und zwischen den Elektroden ein Ionen begrenzendes elektrodynamisches Feld erzeugt; und eine Einrichtung zum Anlegen eines Gleichspannungsabfalls zwischen der ersten Öffnung (806) und der zweiten Öffnung (807).
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 11, bei der die erste Öffnung (806) einen ersten Bereich aufweist, die zweite Öffnung (807) einen zweiten Bereich aufweist, und der erste Bereich größer ist als der zweite Bereich.
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 12, bei der die dritte Öffnung einen dritten Bereich aufweist, und der dritte Bereich im Wesentlichen identisch ist mit dem zweiten Bereich.
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 11, bei der die ersten Elektroden (1003) Stäbe (213) sind, die jeweils ein erstes Ende (209) und ein zweites Ende (210) entfernt von dem ersten Ende (209) aufweisen, wobei die erste Öffnung (806) durch die ersten Enden gebildet wird und die zweite Öffnung (807) durch die zweiten Enden gebildet wird.
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 11, bei der die zweiten Elektroden im Wesentlichen kreisförmig im Querschnitt sind.
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 11, bei der die zweiten Elektroden im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 11, bei der die ersten Elektroden (1003) im Wesentlichen konzentrisch zueinander sind.
Ein Massenspektrometriesystem, das die Ionenführung (102) gemäß Anspruch 11 aufweist.
Eine Ionenführung (102), die folgende Merkmale aufweist: ein erstes Substrat (201), das eine erste Mehrzahl von Elektroden aufweist, die darüber angeordnet ist; ein zweites Substrat (203), das eine zweite Mehrzahl von Elektroden aufweist, die darüber angeordnet ist, wobei das erste Substrat (201) und das zweite Substrat Seiten einer ersten Öffnung (806) an einem ersten Ende (209) und Seiten einer zweiten Öffnung (807) an einem zweiten Ende (210) bilden, wobei die erste Öffnung (806) einen ersten Bereich aufweist und die zweite Öffnung (807) einen zweiten Bereich aufweist, der kleiner ist als der erste Bereich; eine Einrichtung zum Anlegen einer Hochfrequenz-(HF-)Spannung zwischen benachbarten Paaren der ersten Mehrzahl von Elektroden und zwischen benachbarten Paaren der zweiten Mehrzahl von Elektroden, wobei die HF-Spannung in einer Region zwischen dem ersten und zweiten Substrat (201, 203) ein Ionen begrenzendes Feld erzeugt; und eine Einrichtung zum Anlegen eines Gleichspannungsabfalls zwischen der ersten Öffnung (806) und der zweiten Öffnung (807).
Eine Ionenführung (102) gemäß Anspruch 9, bei der das erste und das zweite Substrat (201, 203) planar sind.