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Randfeldregelvorrichtung für Massenfilter, insbesondere Quadrupolmassenfilter
Die Erfindung betrifft eine Randfeldregelvorrichtung zur Beeinflussung des Verhältnisses
der Hochfrequenzspannungsamplitude zur Gleichspannung an einem oder an beiden Enden
eines Multipolmassenfilters, insbesondere eines Quadrupolmassenfilters, dessen stabförmige
Elektroden (Hauptelektroden) parallel zu einer zentralen Achse verlaufen.
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Bei jedem Massenfilter werden Ionen nach verschiedenen Verhältnissen
von gle (Masse zur Ladung) - einer z. B. bei Massenspektrometern sehr wichtigen
Funktion - getrennt oder ausgewählt. Beim Quadrupolfilter erreicht man dies bekanntlich
ohne Magneten, indem man die geladenen Partikeln durch ein elektrisches Quadrupolfeld
mit sowohl hochfrequent wechselnden als auch statischen Komponenten führt.
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Ein Quadrupolfilter, wie es beispielsweise in der USA.-Patentschrift
2 939 952 (1960, W. P a u 1 u. a.) beschrieben ist, besteht im wesentlichen aus
vier Hauptelektroden in Form von parallelen zylindrischen Stäben, welche symmetrisch
um eine gedachte Achse angeordnet sind. Elektrisch sind gegenüberstehende Stäbe
paarweise miteinander verbunden. Wenn Z die Achse der Stabanordnung ist, dann liegt
üblicherweise ein Paar der Stäbe mit ihren Mittelpunkten auf der X-Achse und das
andere Paar auf der Y-Achse eines rechtwinkligen cartesischen Koordinatensystems.
Die Stäbe werden sowohl durch Wechsel- als auch durch Gleichspannungen erregt. Ionen
werden an einem Ende des Filters eingeführt, laufen in der Regel entlang der Filterachse
und treten am anderen Ende des Filters aus. Dabei werden Ionen mit abweichendem
Verhältnis Mle ausgesondert, so daß nur Ionen mit einem vorbestimmten Verhältnis
Mle aus dem Filter austreten.
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Quadrupolmassenfilter können sehr günstig für die Untersuchung der
oberen Atmosphäre, als Analysengerät in einem Satellitenfahrzeug od. dgl. eingesetzt
werden, wo als Ionenquelle für das Filter der das Satellitenfahrzeug umgebende Raum
dient. Hierfür muß das Filter eine hohe Empfindlichkeit sowie hohes Auflösevermögen
besitzen und so wenig elektrische Energie wie möglich verbrauchen. Unter diesen
Bedingungen arbeiten Quadrupolfilter aber mit sehr geringer Übertragungswirksamkeit,
da viele der in das Filter eintretenden Ionen mit vorbestimmtem Verhält-nis Ml
e nichtmehr bis zum Ausgang des Filters gelangen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Arbeitscharakteristik und Leistungsfähigkeit
von Massenfiltern, insbesondere die Durchtrittswirksamkeit eines Quadrupolfilters
stark zu erhöhen, ohne daß mehr Energie verbraucht wird und Empfindlichkeit oder
Auflösungsvermögen vermindert werden. Erfindungsgemäß wird obige Aufgabe dadurch
gelöst, daß an einem Ende oder an beiden Enden des Massenfilters Hilfselektroden
angeordnet sind, die einen Abstand von der gedachten zentralen Achse haben und gegenüber
den Hauptelektroden elektrisch isoliert sind.
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Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil bei vielpoligen Massenfiltern
benutzt werden, bei denen eine Vielzahl von Hauptelektroden mit Abstand um eine
gedachte zentrale Achse angeordnet ist. Hierbei wird an die Hauptelektroden eine
Gleichspannung angelegt, um eine statische vielpolige elektrische Feldkomponente
zwischen den Hauptelektroden zu erzeugen, ferner eine Wechselspannung, um eine wechselnde
vielpolige elektrische Feldkomponente zwischen den Hauptelektroden zu erzeugen.
Dieser Filteranordnung wird gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Hilfselektroden
zugeordnet, welche im Abstand um die gedachte zentrale Achse in der Nähe des Endes
der Hauptelektroden angeordnet sind, um einen Abfall im Verhältnis der statischen
Konponente zu dem Spitzenwert der Wechselkomponente des vielpoligen elektrischen
Feldes in der Nähe des Endes der Hauptelektroden zu erzeugen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Quadrupolmassenfilters
gemäß der Erfindung in schematischem Querschnitt,
F i g. 2 den Eingang
des Quadrupolfilters nach F i g. 1 in perspektivischer Darstellung, F i g. 3 ein
Prinzipschaltbild eines Quadrupolfilters gemäß der Erfindung, F i g. 4 ein Schaltbild
der Regelung für die an die Haupt- und Hilfselektroden des Quadrupolfilters nach
F i g. 1 und 2 angelegten Spannungen, F i g. 5 eine graphische Darstellung eines
stabilen Durchlaufs in der X-Z-Ebene für ein Ion mit einem zum Durchlaufen des Filters
ausgewählten Verhältnis von Mle, F i g. 6 eine graphische Darstellung eines stabilen
Durchlaufs des Ions in der Y-Z-Ebene und F i g. 7 eine graphische Darstellung nach
Art eines Stabilitätsdiagramms, welches die Arbeitsdaten eines Quadrupohnassenfilters
darstellt.
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In F i g. 1 und 2 umfaßt das Quadrupolmassenfilter ein zylindrisches
metallisches Gehäuse 10 mit vier Hauptelektroden 12, 14, 16, 18, welche darin auf
elektrischen Isolierstützen 20 angebracht sind. Die Hauptelektroden sind als Stahlstäbe
ausgeführt, die sich parallel zueinander erstrecken und symmetrisch um eine gedachte
zentrale Achse Z des Filters angeordnet sind. Ein Paar diametral gegenüberstehender
Stäbe 12, 14 liegen mit ihren Mittelpunkten in der Y-Z-Ebene und werden als Y-Stäbe
bezeichnet. Im Idealfalle sollte der Stabquerschnitt nach einer hyperbolischen Kurve
verlaufen, jedoch stellt praktisch eine zylindrische Kurve eine gleichwertige Annäherung
dar.
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Eine leitende Platte 22 ist quer zu einem Ende des Gehäuses angeordnet.'
Die Platte 22 besitzt eine zentral angeordnete kreisförmige Öffnung 24, welche den
Eingang für das Filter und damit die Ioneneingangsöffnung bildet. Ebenso ist am
entgegengesetzten Ende des Filters ein leitende Platte 26 angeordnet, welche eine
zentrale kreisföhnige Öffnung 28 besitzt, die als Ionenaustrittsöffnung des Filters
dient.
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Das Gehäuse 10 ist durch eine leitende Rückwand 30 geschlossen,
an welcher ein elektrisch isolierendes Stützelement 32 angebracht ist. Eine Ioneankollektorelektrode
34 ist auf dem Stützelement 32 gegenüber der Ionenaustrittsöffnung 28 angeordnet.
Ionen, welche die Eingangsöffnung 24 durchlaufen, das Filter durchqueren und auf
dem Kollektor 34 auftreffen, laden den Kollektor elektrisch auf. Der Ionenstrom
kann durch irgendeine üblicbe Meßanordnung 35 gemessen werden, welche zwischen Kollektor
und Erde eingeschaltet ist. Das leitende Gehäuse 10, die Öffnungsplatten 22, 26
und die Rückwand 30 liegen alle auf Erdpotential.
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Bei Einsatz im Labor wird das Gehäuse 10 evakuiert und eine
(nicht dargestellte) Ionenquelle über der Eingangsöffnung angebracht. Jedoch ist
zur Untersuchung der oberen Atmosphäre die Ioneneintrittsöffnung offen, und das
Vakuum innerhalb des Gerätes entspricht dem Vakuum des Raumes.
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Acht Hilfselektroden 36 bis 50 sind im Abstand um die Filterachse
in der Nähe des Eintrittsendes der Hauptelektroden angeordnet; acht weitere Hilfselektroden
36A bis 50A sind irn Abstand um die Filterachse in der Nähe des Ausgangsendes
der Hauptelektroden angeordnet. Die Anordnung der Hilfselektroden am eingangsseitigen
Ende ist identisch mit derjenigen am ausgangsseitigen Ende des Filters; aus diesem
Grunde wird lediglich die zuerst genannte Anordnung beschrieben.
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Die Hilfselektroden 36 bis 50 sind im Anschluß an eine zugehörige
Hauptelektrode bzw. mit Abstand teilweise rund um diese angeordnet. Typischerweise
erstrecken sich die Hilfselektroden 36, 38 um die Hauptelektrode 12 im Abstand und
weisen im wesentlichen eine einer hyperbolischen Kurve angenäherte U-Form auf, wobei
die Schenkel des U sich zwischen anschließenden Stäben und gegenüber der
Filterachse nach außen erstrecken. Vorzugsweise bestehen die Hilfselektroden aus
einfachem dünnem Stahlblech, sie können aber auch aus Siebblechen hergestellt sein.
Die Hilfselektroden 36, 38 werden durch elektrisch isolierende Stützelemente 52,
54 in ihrer Lage gehalten. Die weiteren Hilfselektroden am Eingang sind ähnlich
aufgebaut und gelagert, es erstrecken sich die Hilfselektroden 40, 42 im Abstand
um die Hauptelektrode 14, die Hilfselektroden 44, 46 um die Hauptelektrode 16 und
die Hilfselektroden 48, 50 um die Hauptelektrode 18.
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In F i g. 1 und 2 ist eine Anordnung dargestellt, die sich besonders
bewährt hat. Hierbei ist das Innere des Gehäuses und seines Inhaltes einschließlich
der Haupt- und Hilfselektroden goldplattiert, jedoch nicht die isolierenden Stützelernente
für diese Elektroden. Die der Achse des Filters am nächsten angeordneten Hilfselektroden
36,
40, 44, 48 haben eine Dicke von 0,25 nun (0,10 Inch). Die am weitesten
von der Achse entfernten Hilfselektroden 38, 42, 46, 50 besitzen eine Dicke von
0,6 mm, (0,025 Inch). Andererseits bestehen - wie in F i g. 1 dargestellt und in
der folgenden Tabelle entsprechend erläutert -- folgende typische Abmessungen:
| A ................ 3,3 mm (0,130 Inch) |
| B ................ 5,6 mm (0,220 Inch) |
| C ................ 3,2 mm (0,125 Inch) |
| D .... . ........... 8 mm (0,312 Inch) |
| E . . . . . . . . . . . . . . . . 11 mm (0,437 Inch) |
| F ................ 1,55 mm (0,062 Inch) |
| 1Z ................ 13,4 mm (0,527 Inch) |
| r . . . . . . . . . . . . . . . . 15,7 mm (0,618 Inch) |
| L ................ 1 m (40 Inch) |
| 0 ................ 30° |
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß F i g. 1 und 2 nicht maßstabsgetreu
sind. Es sei darauf hingewiesen, daß die äußeren Hilfselektroden 36, 40,
44, 48 enger als die inneren Hilfselektroden 38,
42,
46, 50
sind, um eine Beeinträchtigung der Eingangsöffnung zu verhindern. Das Gerät ist
besonders geeignet, um Ionen aufzunehmen, welche auf das Filter mit einem Winkel
von weniger als 30°, dargestellt durch den Winkel 0, auffallen.
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Die elektrische Schaltung ist prinzipiell in F i g. 3 dargestellt.
Diametral gegenüberstehende Stäbe sind paarweise zusammengeschaltet, und sowohl
die Wechsel- als auch die Gleichspannungen 2 (Vac Cos w t -E- Vac) werden
zwischen den beiden Stabpaaren angelegt und gegenüber Erdpotential ausbalanciert.
Die X-Stäbe 16, 18 sind auf positivem Gleichspannungspotential und die Y-Stäbe
12,14 auf negativem Gleichspannungspotential. Dies ergibt ein elektrisches Quadrupolfeld
mit Wechsel- und Gleichspannungskomponenten zwischen den Stäben. In ähnlicher Weise
sind diametral gegenüberstehende Hilfselektroden paarweise miteinander
verbunden
und sowohl Wechsel- als auch Gleichspannungen 2 (va, COs W t + Vdc) werden
zwischen die verbundenen Paare angelegt. Im Schaltbild nach F i g. 2 sind beispielsweise
diametral angeordnete gegenüberstehende Hilfselektroden 36, 40 elektrisch paarweise
verbunden, und die gegenüberstehenden Hilfselektroden 44, 48
sind ebenfalls
elektrisch paarweise verbunden. Die entsprechenden Paare von Hauptelektroden sind
12,14
bzw. 16,18. Die Potentiale werden zwischen den Hilfselektrodenpaaren
in einer Weise angelegt, welche eine Verringerung des Verhältnisses der statischen
zu der Spitzenwechselkomponente des vielpoligen elektrischen Feldes der Hauptelektroden
in der Nachbarschaft der Enden der Hauptelektroden bewirkt, beispielsweise dem Filtereingang.
Dies wird durch Aufrechterhaltung eines Gleichspannungspotentials zwischen den beiden
Paaren von Hilfselektroden 36, 40 und 44, 48 erreicht, welches verschieden von demjenigen
ist, das zwischen entsprechenden Paaren von Hauptelektroden 12, 14 und 16, 18 aufrechterhalten
wird, wobei die Differenz im Sinne eines Subtrahierens von der Gleichspannungsfeldkomponente
wirkt, welche durch die Hauptelektroden geschaffen wird. Tatsächlich kann es zeitweilig
wünschenswert sein, eine Gleichspannung zwischen den Hilfselektrodenpaaren aufrechtzuerhalten,
die von entgegengesetzter Polarität gegenüber derjenigen ist, welche zwischen den
entsprechenden Paaren von Hauptelektroden aufrechterhalten wird. Auch ist es wünschenswert,
zwischen die Paare von Hilfselektroden einen Bruchteil der Wechselspannung anzulegen,
welche zwischen entsprechenden Paaren von Hauptelektroden anliegt, sowie gleichphasig,
um die Wechselspannungskomponente des vielpoligen elektrischen Feldes in dem benachbarten
Bereich zu steigern.
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Da das Massenfilter vorzugsweise zur Trennung positiver Ionen verwendet
wird, ist mindestens ein Paar von Hilfselektroden erforderlich, beispielsweise 36,
40, welche dem Paar von Hauptelektroden 12, 14 zugeordnet sind, deren Gleichspannungspotential
negativ ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß entsprechend einer gewählten Übereinkunft
die Stabilität der positiven Ionendurchtritte in der Y-Z Ebene der bestimmende Faktor
für die gesamte Durchtrittswirksamkeit ist. Vorzugsweise besitzt natürlich jede
Hauptelektrode zumindest eine dieser zugeordnete Hilfselektrode. Solange die Eingangsöffnung
nicht verdeckt ist, werden die Zahl und Anordnung von Hilfselektroden, welche jeder
Hauptelektrode zugeordnet sind, durch übliche Auslegungsüberlegungen für die Regelung
des elektrischen Feldes bestimmt. Je sorgfältiger das Gerät gearbeitet ist, desto
genauer ist die Regelung über das elektrische Feld.
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Eine mehr in Einzelheiten gehende Schaltung zum Anlegen und zur Regelung
der Spannungen an den Haupt- und Hilfselektroden, insbesondere im Hinblick auf das
in F i g. 1 und 2 dargestellte Gerät, ist in dem Schaltbild gemäß F i g. 4 dargestellt.
In diesem Schaltbild liefert ein Radiofrequenzgenerator 56, dessen Scheitelausgangsspannung
und dessen Frequenz justierbar sind, ausgeglichene Wechselspannungssignale durch
eine kapazitive Ankopplung quer zu den Paaren von Hauptelektroden 12, 14 und 16,
18. Ein Bruchteil des Wechselspannungspotentials wird durch veränderbare Kondensatoren
quer zu entsprechenden Paaren von Hilfselektroden in der dargestellten Weise zugeführt.
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Halbwellengleichrichtung für jedes der Wechselspannungssignale des
Radiofrequenzgenerators wird durch ein Paar von Dioden 58, 60 bewirkt; die resultierende
Gleichspannung wird quer zu den Anschlüssen 62, 64 eines Spannungsteilers
angelegt. An dem Anschlußpunkt 61 wird die Gleichspannung positiv gegenüber
Erdpotential gehalten. An dem Anschlußpunkt 64 wird die Spannung negativ gegenüber
Erdpotential gehalten. Eine Ausgleichsjustierung ist durch einen Widerstand 66 vorgesehen,
welcher einen justierbaren geerdeten Abgriff besitzt.
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Das Gleichspannungspotential, welches quer zu den Paaren von Hauptelektroden
anzulegen ist, wird über ein Paar von Leitungen 67, 68 von einem ersten Zweig des
Verteilernetzes abgenommen. Dieses Gleichspannungspotential kann durch einen veränderlichen
Shuntwiderstand 70 justiert werden.
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Die anderen beiden Zweige des Verteilernetzes enthalten jeweils kreuzweise
geschaltete Potentiometer mit gekuppelten Abgriffen 72, 74 bzw. 76, 78, wobei die
Abgriffe mit den Hilfselektroden verbunden sind, um eine Gleichspannung quer zu
den Paaren von Hilfselektroden aufrechtzuerhalten.
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Typische Werte für die Bauteile der Schaltung sind in der Zeichnung
angegeben. Typische Arbeitsfrequenzen und Spannungen ergeben sich wie folgt:
| Frequenz ................. 781 kHz |
| Hauptelektroden |
| Vde .................... 48,2 V |
| Vae .................... 282 V |
| Hilfselektroden |
| Vde ........... . ......... 0 V |
| vae ..................... 17 V |
Bei Justierung der kreuzweise geschalteten Potentiometer in dem Spannungsteiler
kann das Gleichspannungspotential zwischen den Hilfselektrodenpaaren verändert und
die Polarität vertauscht werden. Das Wechselspannungspotential quer zu den Hilfselektroden
wird mit Hilfe eines veränderlichen Kondensators justiert, welcher im Anschluß an
diese Elektroden in dem Schaltbild dargestellt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß
eine bestimmte kapazitive Kopplung zwischen den Hilfselektroden und den Hauptelektroden
infolge ihrer physikalischen Anordnung nebeneinander besteht.
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Bei Verwendung eines oben beschriebenen Gerätes wurde eine 30°/oige
Zunahme der Durchtrittswirksamkeit für Ionen innerhalb des »Durchlaßbandes« des
Filters, d.h. also von Ionen mit dem vorbestimmten Verhältnis M/e zum Durchlaufen
des Filters, beobachtet. Es ist möglich, in einem gewissen Ausmaß durch theoretische
Überlegungen abzuleiten, warum dies so ist; gleichwohl ist die Anwendbarkeit des
Erfindungsgegenstandes nicht an diese gebunden.
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Das Potential in dem Raum zwischen den Stangen eines Quadrupolmassenfilters
wird annähernd durch folgende Gleichung dargestellt: V = (Vdc -I- Vae Cos
w t) (x2 - y2)/R2, wobei Vde und Va, die Potentiale darstellen, welche den Stangen
zugeführt werden und R der Abstand von der zentralen Achse Z zu den Stangen ist;
daraus
folgt, daß die Kraftgleichungen für Ionen von verschiedenem
Verhältnis M/e folgendermaßen lauten: Mx = -(2 e/R2) (Vde -r- Vac Cos w t)
x, My = -I- (2 e/R2) (Vae -I- Vac Cos w t) y
Die Bewegungsgleichungen der
Ionen erhält man durch Integration der obigen Kraftgleichungen. In diesem Fall kann
die Integration nicht unmittelbar oder leicht ausgeführt werden. Die formellen Lösungen
sind durch die Mathieu-Gleichung (s. N. W. Mc-Lachlan, Theorie und Anwendung von
Mathieu-Funktionen, Oxfordpress, 1947) gegeben. Diese Lösungen sind in Form unendlicher
Reihen dargestellt, und die Koeffizienten sind als fortlaufende Brüche gegeben.
Um mit diesen Mitteln mehr über die Durchläufe zu erfahren, ist die Verwendung eines
großen Rechners erforderlich.
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Die Kraftgleichungen werden in die allgemeine Form für Mathieu-Gleichungen
durch folgende Substitutionen gebracht: Es sei
Dann folgt
Ob der Durchlauf stabil ist, wird allein durch die Werte von a und
q festgelegt. Für das Quadrupolfilter wird der interessierende Bereich durch
die Werte von a und q begrenzt,- welche kleiner als 1 sind. Es ist möglich, eine
graphische Darstellung von a-und q-Werten zu konstruieren, um stabile und unstabile
Durchläufe darzustellen. Ein Beispiel eines solchen Stabilitätsdiagramms ist in
F i g. 7 dargestellt, wo der Bereich unter der dreieckigen Kurve die Werte von a
und q enthält, für welche der Durchlauf sowohl in den X- als auch in den Y-Richtungen
stabil ist, wobei der Bereich links der Kurve unstabile Durchläufe in der Y-Richtung
und der Bereich rechts der Kurve unstabile Durchläufe in der X-Richtung darstellt.
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Die Schar der in F i g. 5 und 6 dargestellten Durchläufe wurde durch
eine numerische Integration der Kraftgleichungen mit einem Digitalrechner bestimmt.
Es ist ersichtlich, daß der Durchlauf in der X-Richtung weit verschieden von demjenigen
in der Y-Richtung ist.
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Um den Kollektor zu erreichen, muß die Ionenbewegung in den X- und
Y-Richtungen stabilisiert sein, d. h. beschränkte Amplituden besitzen, und zwar
sowohl für Plus- als auch Minuswerte von a und q.
All dies wurde zur
Darstellung des Stabilitätsdiagramms von F i g. 7 in Erwägung gezogen. Ionen, deren
Durchläufe diese zu weit von der Achse wegtragen, kommen in Berührung mit den Innenflächen
des Filters und werden eingefangen, wobei sie aus dem Strahl ausgeschieden werden.
Andererseits laufen die Ionen, deren Bewegung entsprechend den elektrischen Feldern
auf Bahnen verläuft, deren Amplitude innerhalb der Stabanordnung beschränkt ist,
durch das Filter zum Kollektor.
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In der X-Z-Ebene beschleunigt das Gleichspannungspotential an den
X-Stäben positive Ionen zu der Filterachse hin; das Wechselspannungspotential hingegen
bewirkt, daß die positiven Ionen um die Filterachse oszillieren, analog zu einem
Resonanzsystem. Wenn die Amplitude der Oszillation zu groß wird, scheidet das Ion
aus. Während in einem üblichen Resonanzsystem die Amplitude der erzwungenen Schwingung
auf jeder Seite der Resonanz beschränkt ist, schwingen in dem Quadrupolsystem die
Ionen mit einer beschränkten Amplitude nur dann, wenn ihre Masse größer als die
Resonanzmasse ist. Für die Resonanzmasse und alle leichteren Massen scheint die
Amplitude unbegrenzt zuzunehmen.
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In der Y-Z-Ebene wird das positive Ion nach außen gegenüber der Achse
durch die negativen Gleichspannungspotentiale an den Y-Stäben beschleunigt. Wenn
der Durchlauf des Ions trotzdem stabil sein soll, muß das Wechselspannungsfeld dafür
sorgen, daß das Ion beim Erreichen der äußeren Grenze eines stabilen Durchlaufs
eine zur Achse hingerichtete rücktreibende Kraft erfährt, indem die momentane Hochfrequenzfeldstärke
die Feldstärke des statischen Feldes gerade aufhebt oder sogar in der entgegengesetzten
Richtung übertrifft. Diese Bedingung ergibt sich nur dann, wenn das Ion eine genügend
niedrige Masse hat, so daß es sich genügend bewegen kann. Bei größeren Massen kann
sich das Ion nicht genügend in Abhängigkeit von dem Wechselspannungsfeld bewegen,
um Stabilität zu erreichen, und wird aus dem Strahl ausgeschieden.
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Somit sind in der X-Richtung positive Ionen in den Gleichspannungsfeldern
stabil, und der Einfluß des Wechselspannungsfeldes besteht darin, diese unstabil
zu machen. In der Y-Richtung ergibt sich eine Stabilität allein von der Bewegung
der Ionen in den nichtgleichförmigen Wechselspannungsfeldern, und die schwereren
Ionen trachten danach, unstabil zu werden.
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Wenn gemäß dem Stabilitätsdiagramm von Fig. 7 das Verhältnis der Gleichspannung
zu der Wechselspannung konstant ist, liegen die Werte von a und
q
auf einer Linie, welche als Teilungslinie 80 bezeichnet werden kann. Es
ist zu beachten, daß die Werte von a und q von dem Verhältnis Mle des Ions
abhängen, obgleich dies bei dem Verhältnis von a zu q nicht der Fall ist. Somit
werden bei gegebenen Werten der Frequenz sowie der Gleich- und Wechselspannung die
a- und q-Werte entsprechend den Ionen von unterschiedlichen Verhältnissen M/e längs
der Teüungslinie gestreut. Die Orte der a- und q-Werte der schwereren Ionen liegen
näher am Ursprung und diejenigen der leichteren Ionen mehr zurückversetzt. Wenn
gemäß F i g. 7 die Teilungslinie so gewählt ist, daß sie nahe dem Scheitel der Stabilitätskurve
verläuft, sind die Durcbläufe von Ionen eines sehr beschränkten Bereiches von M/e
stabil und alle anderen unstabil. Das theoretische Auflösungsvermögen nimmt zu,
wenn die Steigung der Teilungskurve zunimmt und den Scheitel der Stabilitätskurve
erreicht. Die Auflösung wird durch Änderung des Verhältnisses von Vao und Vae justiert.
Mit diesem festen Verhältnis wird eine Massenaustastung durch Veränderung des Verhältnisses
der Spannungen zum Quadrat der Frequenz erzielt.
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Entsprechend der Theorie der Arbeitsweise, welche -rfindungsgemäß
für die Hilfselektroden vorausgesetzt wird, ist der Verlust an Durchtrittswirksamkeit
für 3iejenigen Ionen, welche innerhalb des Durchlaßbandes des Filters liegen, in
erster Linie dem Durchaufen der Ionen durch den Eingang des Filters zumordnen,
wo
die Felder einen geringeren als ihren vollen Wert besitzen. In Abhängigkeit von
den geometrischen Abmessungen besteht eine ähnliche, jedoch weniger kritische Bedingung
an dem Filterausgang. Die defokussierenden Kräfte im Eingangsbereich sind vielfach
stärker als die fokussierenden Kräfte in dem Bereich gleichförmiger Felder. Der
Zweck der Hilfselektroden besteht darin, diese starken defokussierenden Kräfte zu
vermindern.
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Somit können in das Filter eintretende Ionen eine starke radiale Geschwindigkeitskomponente
besitzen, welche bewirkt, daß die Ionen aus dem Strahl ausgeschieden werden, bevor
der Zeitpunkt erreicht ist, an dem der stabilisierende Einfluß des Filterbereiches
mit gleichförmigem Feld diese gegen die Achse zurücklenken kann. Auch plötzlich
in das Filter eintretende Ionen können einen radialen Geschwindigkeitsimpuls von
dem Wechselspannungsfeld erhalten. Ionen, welche durch den Eingangsbereich laufen,
wo die Felder einen geringeren als ihren vollen Wert besitzen, können auch eine
radiale Geschwindigkeit als Ergebnis der Einwirkung dieser Felder annehmen, insbesondere
als Ergebnis einer Y-Instabilität.
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Somit sollte entsprechend der der Erfindung zugrunde liegenden Theorie
der Übergang von einem Bereich ohne Felder an dem Eingang schrittweise und nicht
plötzlich erfolgen; ferner sollte das Verhältnis der statischen Komponenten zu den
wechselnden Spitzenkomponenten auf das Feld benachbart dem Eingang durch Erhöhung
des Wechselspannungsfeldes und Verminderung des Gleichspannungsfeldes reduziert
werden. Während das letztere die X-Stabilität schwächt, ist die X-Stabilität üblicherweise
viel größer als die Y-Stabilität. Da ferner beim normalen Gebrauch des Massenfilters
die Ionen sowohl in der X- als auch der Y-Richtung stabil sein müssen, um den Kollektor
zu erreichen, wird nichts dabei verloren, wenn die X-Stabilität abgeschwächt wird,
so lange, bis sie die Y-Stabilität erreicht.