DE1278761B

DE1278761B - Multipole mass filter

Info

Publication number: DE1278761B
Application number: DEB75166A
Authority: DE
Inventors: Wilson M Brubaker
Original assignee: Bell and Howell Co
Current assignee: Bell and Howell Co
Priority date: 1963-02-04
Filing date: 1964-01-27
Publication date: 1968-09-26

Description

Multipolmassenfilter Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Multipolmassenfilter mit zumindest vier langgestreckten, einander parallelen Elektrodenkörpern in symmetrischer Anordnung um eine zentrale Achse und mit Versorgungseinrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Multipolfeldes.Multipole Mass Filters The present invention relates to a Multipole mass filter with at least four elongated, parallel electrode bodies in a symmetrical arrangement around a central axis and with supply facilities for generating an electrical multipole field.

Von einem Massenfilter sollen Ionen, welche verschiedene Verhältnisse von Masse zu Ladung (Mle) besitzen, selektiv hindurchgelassen oder voneinander getrennt werden. Das Multipolmassenfilter erreicht dieses Ziel ohne einen Magneten in einzigartiger Weise dadurch, daß Bewegungsmöglichkeiten ausgenutzt werden, welche geladene Teilchen in einem elektrischen Vielpolfeld besitzen, das sowohl alternierende wie statische Komponenten besitzt.A mass filter is supposed to have ions which have different ratios from mass to charge (Mle), selectively let through or separated from each other will. The multipole mass filter achieves this goal in a unique way without a magnet Way by the fact that possibilities of movement are exploited, which charged particles in an electrical multi-pole field that is both alternating and static Components.

Bei einem typischen Multipolmassenfilter, wie es in der USA.-Patentschrift 2 939 952 beschrieben ist, sind vier langgestreckte durchlaufende Elektroden in der Form von parallelen zylindrischen Stäben symmetrisch um eine Mittelachse angeordnet. Die Stäbe sind paarweise elektrisch miteinander verbunden, wobei jeweils die einander gegenüberliegenden Stäbe aneinander angeschlossen sind. Wenn mit Z die Mittelachse zwischen den Stäben bezeichnet wird, liegt das eine Stabpaar mit seinen Mittelpunkten auf der X-Achse und das andere Stabpaar auf der Y-Achse, wobei die drei Achsen jeweils senkrecht aufeinander stehen, wie dies im rechtwinkligen cartesischen Koordinatensystem üblich ist. An die Stäbe wird sowohl eine Wechselspannung wie auch eine Gleichspannung angelegt. Die Ionen oder geladenen Teilchen werden an dem einen Ende des Filters eingeführt und laufen in diesem im wesentlichen die Achse des Filters entlang. Beim Durchlaufen des Filters werden die Ionen mit verschiedenen Mle voneinander getrennt, weil nur die Ionen mit einem bestimmten Mle stabile Bahnen besitzen und am Auslaßende des Filters austreten, um dann auf einen Ionenkollektor aufzutreffen und diesen aufzuladen. Der Ionenkollektor ist mit einem Strommeßgerät verbunden. Diejenigen geladenen Teilchen, die außerhalb des gewählten M/e-Bereiches liegen, besitzen unstabile Bahnen und gelangen auf die das Feld erzeugenden Elektroden, wodurch sie entfernt werden. D . ie Ionentrennung wird durch Veränderung der an die Elektroden angelegten Spannungen oder durch Veränderung der Frequenz der Wechselspannungen gesteuert.In a typical Multipolmassenfilter, as described in the USA. Patent 2,939,952, four elongated continuous electrodes are arranged in the form of parallel cylindrical rods symmetrically about a central axis. The rods are electrically connected to one another in pairs, the mutually opposite rods being connected to one another. If Z denotes the center axis between the rods, one pair of rods lies with its centers on the X-axis and the other pair of rods on the Y-axis, whereby the three axes are perpendicular to each other, as is usual in the rectangular Cartesian coordinate system . Both an AC voltage and a DC voltage are applied to the bars. The ions or charged particles are introduced at one end of the filter and in this run essentially along the axis of the filter. When passing through the filter, the ions with different Mle are separated from one another, because only the ions with a certain Mle have stable orbits and exit at the outlet end of the filter in order to then strike an ion collector and charge it. The ion collector is connected to an ammeter. Those charged particles which lie outside the selected M / e range have unstable paths and reach the electrodes generating the field, whereby they are removed. D. The ion separation is controlled by changing the voltages applied to the electrodes or by changing the frequency of the alternating voltages.

Das Multipolmassenfilter eignet sich voraussichtlich besonders gut als Untersuchungsinstrument in künstlichen Satelliten und zur Erforschung der oberen Atmosphäre, wobei die Ionenquelle des Filters von dem Weltraum, der den Satelliten umgibt, gebildet wird. Bei einer solchen Anwendung muß das Filter eine hohe Empfindlichkeit, ein hohes Auflösungsvermögen und einen möglichst geringen Stromverbrauch besitzen. Unter diesen Bedingungen besitzt aber das bekannte Multipolmassenülter einen nur geringen Durchlaßwirkungsgrad, d. h., viele der in das Filter eintretenden Ionen mit dem vorgegebenen Mle, die das Filter durchlaufen und am Ausgang herauskommen sollten, gehen verloren.The multipole mass filter is expected to be particularly well suited as an examination instrument in artificial satellites and for exploring the upper atmosphere, the ion source of the filter being formed by the space surrounding the satellite. In such an application, the filter must have a high sensitivity, a high resolution and the lowest possible power consumption. Under these conditions, however, the known multipole mass filter has only a low transmission efficiency, i. That is, many of the ions of the given Mle entering the filter that should pass through the filter and come out at the exit are lost.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Multipolmassenfilter anzugeben, das bei gleichem Auflösungsvermögen einen bedeutend höheren Ionenstrom oder bei gleichem Ionenstrom ein bedeutend höheres Auflösungsvermögen besitzt.The present invention is based on the object of a multipole mass filter indicate that with the same resolving power a significantly higher ion current or has a significantly higher resolving power with the same ion current.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß mehrere Multipole, elektrisch gegenseitig isoliert und auf verschiedenen Potentialen liegen, parallel der zentralen Achse in einer Flucht aufeinanderfolgen.According to the invention this is achieved in that several multipoles, electrically isolated from one another and at different potentials, in parallel the central axis in one line.

Mit der vorliegenden Erfindung wird also eine Anzahl von elektrischen Multipolfeldanordnungen um eine Zentralachse der Reihe nach angeordnet. Jede Anordnung umfaßt zumindest vier elektrisch leitende, symmetrisch und ün wesentlichen parallel zu der zentralen Achse angeordnete Stäbe. Die einzelnen Stäbe jeder Anordnung sind jeweils mit den entsprechenden Stäben der benachbarten Anordnung gleichgerichtet (kollinear) und gegen diese elektrisch isoliert. Zur Zuführung der verschiedenen Spannungen zu den Stäben der Anordnung sind geeignete Anschlüsse vorgesehen, die in den einzelnen Anordnungen verschiedene elektrische Multipolfeder zu erzeugen gestatten.With the present invention, a number of electrical Multipole field arrangements arranged one after the other around a central axis. Any arrangement includes at least four electrically conductive, symmetrical and substantially parallel rods arranged to the central axis. The individual bars of each arrangement are in each case aligned with the corresponding rods of the adjacent arrangement (collinear) and electrically isolated from them. For feeding the various Suitable connections are provided for voltages to the rods of the arrangement different in the individual arrangements electric multipole spring allow to generate.

Vorzugsweise ist bei dem Massenfilter nach der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der statischen Komponente zu der Spitzenkomponente der Wechselspannung des elektrischen Multipolfeldes in jeder Anordnung auf einen gewünschten Wert einstellbar. Dies ermöglicht, einen maximalen Durchlaßwirkungsgrad für geladene Teilchen mit gegebenem Mle zu erzielen.Preferably in the mass filter according to the present invention the ratio of the static component to the peak component of the AC voltage of the electrical multipole field can be set to a desired value in any arrangement. This enables maximum charged particle transmission efficiency to achieve a given Mle.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Verhältnis der Gleichspannungskomponente zu der Wechselspannungskomponente an einem Ende des Filters kleiner gehalten als in der Mitte zwischen den Filterenden. Bei einer weiteren Ausbildung ist die Gleichspannungskomponente im Verhältnis zur Wechselspannungskomponente -äm Einlaßende des Filters im wesentlichen gleich Null. In manchen Fällen wird das -Verhältnis der Gleichspannungskomponente zu der Wechselspannungskomponente aber auch an beiden Enden des Filters niedriger gewählt als in der Mitte. Die Stäbe der Anordnung sind dann vorzugsweise an dem Ende des Filters kürzer als die Stäbe der dazwischenliegenden Anordnung oder Anordnungen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt auch Vorrichtungen zur Veränderung der verschiedenen Spannungswerte, die an die Stäbe der einzelnenAnordnungen gelegt werden.In a preferred embodiment, the ratio of the DC voltage component to the AC voltage component is kept smaller at one end of the filter than in the middle between the filter ends. In a further embodiment, the direct voltage component in relation to the alternating voltage component is essentially equal to zero at the inlet end of the filter. Ratio of the DC component to the AC component selected but also at both ends of the filter lower than in the middle - in some cases, that is. The rods of the arrangement are then preferably shorter at the end of the filter than the rods of the arrangement or arrangements in between. A preferred embodiment of the invention also includes devices for varying the various stress levels applied to the bars of the individual assemblies.

Die Erfindung wird nun an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen stellt dar F i g. 1 ein Elektrodensystem nach der vorliegenden Erfindung und eine.--Schaltung zur Zuführung der Spannungen zu den Elektroden in perspektivischer Ansicht, schematisch dargestellt, F i g. 2 eine schematische Schnittansicht der Elektroden von F i g. 1, die in einem Massenfiltergehäuse angeordnet sind.The invention will now be explained in more detail on the basis of the description of an exemplary embodiment with reference to the drawings. In these, F i g. 1 an electrode system according to the present invention and a circuit for supplying the voltages to the electrodes in a perspective view, shown schematically, FIG . Figure 2 is a schematic sectional view of the electrodes of Figure 2 . 1, which are arranged in a mass filter housing.

Bei F i g. 1 besteht das Elektrodensystem 10 aus einer ersten Anordnung 11 mit einer oberen Elektrode 12, einer linken Elektrode 13, einer rechten Elektrode 14 und einer unteren Elektrode 15. Die vier Elektroden, die jeweils die Form eines zylindrischen Stabes besitzen, sind in der ersten Anordnung symmetrisch und im wesentlichen parallel zueinander um eine zentrale Längsachse Z herum angeordnet. Die Achsen der oberen und unteren Elektroden der ersten Anordnung liegen in der Y-Z-Ebene, und die Achsen der linken und rechten Elektroden der ersten Anordnung liegen in der X-Z-Ebene. Die X-, Y- und Z-Achsen sind jeweils rechtwinklig zueinander. Eine zweite Anordnung 16 umfaßt obere, linke, rechte und untere Elektroden 17, 18, 19 und 20, die jeweils die Form eines zylindrischen Stabes besitzen und mit der entsprechenden oberen, linken, rechten und unteren Elektrode der ersten Anordnung gleichgerichtet (kollinear) sind. Die benachbarten Enden der sich in gleicher Richtung erstreckenden Elektroden der ersten und zweiten Anordnung sind durch dünne Scheiben 21 aus elektrischem isolierendem Material getrennt. Diese isolierenden Scheiben können jedoch auch fehlen, indem die Elektroden nur ün Abstand voneinander angeordnet werden, so daß sie elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Die Elektroden der zweiten Anordnung sind jeweils -ün wesentlichen gleich lang, jedoch beträchtlich länger als die Elektroden der ersten Anordnung.At F i g. 1 , the electrode system 10 consists of a first arrangement 11 with an upper electrode 12, a left electrode 13, a right electrode 14 and a lower electrode 15. The four electrodes, each in the form of a cylindrical rod, are symmetrical in the first arrangement and arranged around a central longitudinal axis Z substantially parallel to one another. The axes of the upper and lower electrodes of the first arrangement lie in the YZ plane, and the axes of the left and right electrodes of the first arrangement lie in the XZ plane. The X, Y, and Z axes are each perpendicular to one another. A second array 16 includes upper, left, right and lower electrodes 17, 18, 19 and 20 each in the form of a cylindrical rod and collinear with the corresponding upper, left, right and lower electrodes of the first array. The adjacent ends of the co-directional electrodes of the first and second assemblies are separated by thin disks 21 of electrically insulating material. However, these insulating disks can also be omitted in that the electrodes are only arranged at a distance from one another, so that they are not electrically connected to one another. The electrodes of the second arrangement are each essentially the same length, but considerably longer than the electrodes of the first arrangement.

Eine dritte Anordnung 22 enthält zylindrische und gleichlange obere, linke, rechte und untere Elektroden 23, 24, 25 und 26, die jeweils mit den oberen, linken, rechten und unteren Elektroden der ersten und der zweiten Anordnung in gleicher Richtung liegen. Die Elektroden der dritten Anordnung sind beträchtlich länger als die der zweiten Anordnung, und die sich gegenüberstehenden Enden der einander richtungsgleichen Elektroden der zweiten und dritten Anordnung sind durch isolierende Scheiben 27 voneinander getrennt.A third arrangement 22 includes cylindrical and equally long upper, left, right and lower electrodes 23, 24, 25 and 26, which are in the same direction with the upper, left, right and lower electrodes of the first and second arrangements, respectively. The electrodes of the third arrangement are considerably longer than those of the second arrangement, and the opposite ends of the electrodes of the second and third arrangement in the same direction are separated from one another by insulating washers 27.

Eine vierte Anordnung 28 enthält zylindrische und gleichlange obere, linke, rechte und untere Elektroden 29, 30, 31 und 32, die mit den entsprechenden dazu richtungsgleichen oberen, linken, rechten und unteren Elektroden der dritten Anordnung identisch sind. Die sich gegenüberstehenden Enden der Elektroden der vierten und dritten Anordnung sind durch isolierende Scheiben 34 voneinander getrennt.A fourth arrangement 28 contains cylindrical upper, left, right and lower electrodes 29, 30, 31 and 32 of the same length, which are identical to the corresponding upper, left, right and lower electrodes of the third arrangement in the same direction. The opposite ends of the electrodes of the fourth and third arrangement are separated from one another by insulating disks 34.

Eine fünfte Anordnung 36 enthält zylindrische und gleichlange obere, linke, rechte und untere Elektroden 37, 38, 39 und 40, die zu den oberen, linken, rechten und unteren Elektroden der vierten Anordnung je- weils gleichgerichtet angeordnet sind. Die gegenüberstehenden Enden der einander entsprechenden richtungsgleichen Elektroden der vierten und fünften Anordnung sind jeweils durch elektrisch isolierende Scheiben 41 voneinander getrennt.A fifth arrangement 36 includes cylindrical and of equal length top, left, right and lower electrodes 37, 38, 39 and 40, the JE to the top, left, right, and bottom electrodes of the fourth arrangement are arranged weils rectified. The opposite ends of the corresponding electrodes of the fourth and fifth arrangement in the same direction are each separated from one another by electrically insulating disks 41.

- Eine sechste Anordnung 42 enthält zylindrische und- - gleichlange obere, linke, rechte und untere Elektroden 43, 44, 45 und 46, die sich jeweils in die gleichen Richtungen wie die oberen, linken, rechten und unteren Elektroden der fünften Anordnung erstrecken. Elektrisch isolierende Scheiben 47 trennen die benachbarten Enden der richtungsgleichen Elektroden der fünften und sechsten Anordnung. - A sixth arrangement 42 includes cylindrical and- - of equal length top, left, right and lower electrodes 43, 44, 45 and 46, each of the fifth arrangement extending in the same directions as the top, left, right, and bottom electrodes. Electrically insulating disks 47 separate the adjacent ends of the electrodes of the fifth and sixth arrangement in the same direction.

Wie aus F i g. 2 am besten hervorgeht, sind die sich gegenüberstehenden Enden der (kollinearen) Elektroden teleskopartig ineinandergesetzt, so daß die isolierenden Scheiben nicht dem Ionenbombardement ausgesetzt sind, um eine Aufladung zu vermeiden. Das eine Ende einer Elektrode besitzt eine zylindrische Ausnehmung 48, in die ein zylindrischer Zapfen 49 des benachbarten Endes der nächsten Elektrode eingreift. Ein ringförmiger Flansch 49 A an den Scheiben umgreift das Ende des Zapfens und hält die Elektroden außer Berührung.As shown in FIG. 2, the opposite ends of the (collinear) electrodes are telescopically nested so that the insulating disks are not exposed to ion bombardment in order to avoid charging. One end of one electrode has a cylindrical recess 48 into which a cylindrical pin 49 of the adjacent end of the next electrode engages. An annular flange 49 A on the discs engages around the end of the pin and keeps the electrodes out of contact.

Von der Sekundärwicklung 50 eines Transformators 51 wird an die Elektroden der einzelnen Anordnungen eine Wechselspannung angelegt. Die Primärwicklung 52 des Transformators ist mit dem Ausgang eines Frequenzgenerators 53, der eine veränderbare Frequenz liefert, verbunden. Das eine Ende der Sekundärwicklung ist über einen Blockkondensator 54 mit den linken und rechten Elektroden der einzelnen Anordnungen verbunden, d. h. mit denjenigen Elek--troden, die in der von der X- und Z-Achse gebildeten Ebene liegen. Der übersichtlichkeit halber sind nur die Verdrahtungen an den rechten Elektroden dargestellt. Wie bereits erwähnt, sind jedoch die sich in jeder Anordnung diametral gegenüberliegenden Elektroden elektrisch miteinander verbunden, so daß sie auf dem gleichen Potential liegen. Eine Reihe von sich in gleicher Richtung erstreckenden Elektroden setzt sich daher aus getrennten Stangenabschnitten mit gleichem Durchmesser zusammen, wobei die einzelnen Abschnitte elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die Elektroden jedes Stabes oder Säule sind durch Sperrkondensatoren 56 getrennt. Das andere Ende der Sekundärwicklung ist über einen Sperrkondensator 58 mit den oberen und unteren Elektroden verbunden, deren Achsen in der Y-Z-Ebene liegen. Der übersichtlichkeit halber ist in jeder Anordnung nur die elektrische Verbindung mit den oberen Elektroden dargestellt, obwohl, wie bereits erwähnt, die oberen und unteren Elektroden der Anordnungen jeweils elektrisch miteinander verbunden ,sind, so daß sie die gleiche Spannung besitzen. Die oberen und unteren Elektroden der Anordnung sind gegen Gleichspannungen durch Sperrkondensatoren 60 voneinander getrennt.An alternating voltage is applied from the secondary winding 50 of a transformer 51 to the electrodes of the individual arrangements. The primary winding 52 of the transformer is connected to the output of a frequency generator 53 which supplies a variable frequency. One end of the secondary winding is connected through a blocking capacitor 54 to the left and right electrodes of the individual assemblies, d. H. with those electrodes that lie in the plane formed by the X and Z axes. For the sake of clarity, only the wiring on the right electrodes is shown. As already mentioned, however, the electrodes, which are diametrically opposite one another in each arrangement, are electrically connected to one another, so that they are at the same potential. A row of electrodes extending in the same direction is therefore composed of separate rod sections with the same diameter, the individual sections being electrically insulated from one another. The electrodes of each rod or column are separated by blocking capacitors 56 . The other end of the secondary winding is connected via a blocking capacitor 58 to the upper and lower electrodes, the axes of which lie in the YZ plane. For the sake of clarity, only the electrical connection to the upper electrodes is shown in each arrangement, although, as already mentioned, the upper and lower electrodes of the arrangements are each electrically connected to one another so that they have the same voltage. The upper and lower electrodes of the arrangement are separated from one another against direct voltages by blocking capacitors 60.

Eine Potentiometerwicklung 62 ist an eine Gleichspannungsquelle 64 angeschlossen, während ihr Mittelpunkt geerdet ist. Ein erster beweglicher Kontakt 65 ist nahe dem Mittelpunkt der Wicklung auf .der positiven Seite angeordnet und liefert über den Widerstand 66 eine verhältnismäßig niedrige positive Gleichspannung zu der linken und rechten Elektrode ,der ersten Anordnung. Eine erste einstellbare negative Anzapfung 67 ist nahe dem Mittelpunkt der Wicklung auf der negativen Seite angesetzt und liefert über .einen Widerstand 68 eine verhältnismäßig niedrige negative Gleichspannung zu der oberen und unteren Elektrode der ersten Anordnung. Verstellbare positive zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Anzapfungen 70, 71, 72, 73 und 74 sind jeweils über die Widerstände 75, 76, 77, 78 und 79 mit den linken und rechten Elektroden der zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Anordnung verbunden. In ähnlicher Weise sind zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste einstellbare negative Anzapfungen 80, 81, 82, 83 und 84 an der negativen Seite der Potentiometerwicklung vorgesehen, die jeweils über die Widerstände 85, 86, 87, 88 und 89 eine negative Gleichspannung zu den oberen und unteren Elektroden der zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Anordnung liefern.A potentiometer winding 62 is connected to a DC voltage source 64 while its center point is grounded. A first movable contact 65 is arranged near the center of the winding on the positive side and supplies a relatively low positive DC voltage to the left and right electrodes, the first arrangement , via the resistor 66. A first adjustable negative tap 67 is set near the center of the winding on the negative side and supplies a relatively low negative DC voltage to the upper and lower electrodes of the first arrangement via a resistor 68. Adjustable positive second, third, fourth, fifth and sixth taps 70, 71, 72, 73 and 74 are connected to the left and right electrodes of the second, third, fourth, fifth and through resistors 75, 76, 77, 78 and 79, respectively sixth arrangement connected. Similarly, second, third, fourth, fifth and sixth adjustable negative taps 80, 81, 82, 83 and 84 are provided on the negative side of the potentiometer winding, which each have a negative DC voltage via resistors 85, 86, 87, 88 and 89 to the upper and lower electrodes of the second, third, fourth, fifth and sixth arrays.

Der Abstand einer negativen Anzapfung von dem geerdeten Mittelpunkt des Potentiometers entspricht dem Abstand von der entsprechenden positiven Anzapfung, so daß an benachbarte Elektroden jeder Anordnung die gleiche, aber entgegengesetzte Gleichspannung angelegt wird. Mathematisch wird dies als 17DCxn # - 17 DCyn ausgedrückt, wobei der Index n die Anordnung angibt und die Buchstaben x und y die an die in der x-bzw. y-Richtung liegenden Elektroden angelegte Spannung bezeichnen.The distance of a negative tap from the grounded center point of the potentiometer corresponds to the distance from the corresponding positive tap, so that the same but opposite DC voltage is applied to adjacent electrodes of each arrangement. Mathematically, this is expressed as 17DCxn # - 17 DCyn, where the index n indicates the arrangement and the letters x and y correspond to those in the x and Electrodes lying in the y-direction denote applied voltage.

Da die Sekundärwicklung des Transformators in der Mitte geerdet ist, sind die an die einzelnen, einander benachbarten Elektroden der Anordnungen angelegten Wechselspannungen einander gleich, aber ,entgegengesetzt. Dies wird mathematisch wie folgt ausgedrückt: VAC. = - l'AC, - Weiterhin ist die Gleichspannung, die an die Elektroden der einzelnen Anordnungen gelegt wird, auf den Spitzenwert der Wechselspannung abgestimmt, und dies wird mathematisch folgendermaßen ausgedrückt: VDC.. = 0,168 - k" - VAC., wobei k" eine Konstante mit einem Wert zwischen Null und Eins ist. Wie F i g. 2 zeigt, ist die Elektrodenanordnung von F i g. 1 innerhalb eines langgestreckten zylindrischen Metallgehäuses 90 angeordnet, wobei die Elektroden jeweiis über einen entsprechenden Isolator 92 an der Innenwand des Gehäuses befestigt sind.Since the secondary winding of the transformer is grounded in the middle, the alternating voltages applied to the individual, adjacent electrodes of the arrangements are equal to, but opposite to one another. This is expressed mathematically as follows: VAC. = - 1'AC, - Furthermore, the direct voltage that is applied to the electrodes of the individual arrangements is matched to the peak value of the alternating voltage, and this is expressed mathematically as follows: VDC .. = 0.168 - k " - VAC., where k "is a constant with a value between zero and one. Like F i g. Fig. 2 shows the electrode arrangement of Fig. 2. 1 arranged within an elongated cylindrical metal housing 90 , the electrodes each being fastened to the inner wall of the housing via a corresponding insulator 92.

Am Eingangsende des Gehäuses ist eine leitende Platte 94 befestigt, die eine zentral angeordnete kreisförmige Öffnung 95 besitzt, welche den Ioneneingang des Filters darstellt. Eine zweite leitende Platte 96 ist innerhalb des Gehäuses am Ausgangsende der Elektrode befestigt, die eine zentrale kreisförmige öffnung 97 besitzt, welche als lonenausgang des Filters dient.Attached to the input end of the housing is a conductive plate 94 which has a centrally located circular opening 95 which represents the ion input to the filter. A second conductive plate 96 is fastened inside the housing at the exit end of the electrode, which has a central circular opening 97 which serves as the ion exit of the filter.

Das Auslaßende des Gehäuses wird von einer leitenden Rückwand 98 geschlossen. Auf der Innenseite der Rückwand ist ein elektrisch* isolierender Block 99 befestigt, an dem gegenüber der Ionenausgangsblende eine lonenkollektorelektrode 100 angebracht ist. Ionen mit verschiedenem Verhältnis von Masse zu Ladung treten durch die Eingangsöffnung ein, aber nur Ionen mit dem gewählten Masse-zu-Ladungs-Verhältnis durchlaufen das Filter, treffen auf den Kollektor und laden ihn elektrisch auf. Die übrigen Ionen prallen auf die Elektroden und werden neutralisiert. Der Ionenstrom wird mittels einer üb- lichen Meßschaltung 102 gemessen, die zwischen dem Ionenkollektor und der Erde eingeschaltet ist. Das leitende Gehäuse, die Blendenplatten und die Rückwand liegen alle auf Erdpotential.The outlet end of the housing is closed by a conductive back wall 98 . An electrically insulating block 99 is attached to the inside of the rear wall, on which an ion collector electrode 100 is attached opposite the ion exit aperture. Ions with different mass-to-charge ratios enter through the inlet opening, but only ions with the selected mass-to-charge ratio pass through the filter, hit the collector and charge it electrically. The remaining ions collide with the electrodes and are neutralized. The ion current is measured by means of a conventional measuring circuit 102 which is connected between the ion collector and the earth. The conductive housing, the bezel plates, and the rear panel are all at ground potential.

Bei Verwendung im Laboratorium wird das Gehäuse evakuiert, und an der Eingangsöffnung wird eine Ionenquelle aufgestellt. Für die Erforschung der oberen Atmosphäre wird die Ioneneingangsöffnung offengelassen, und das Vakuum innerhalb der Anordnung wird vom Vakuum des Weltraumes gebildet.When used in the laboratory, the housing is evacuated, and on An ion source is set up at the entrance opening. For exploring the top Atmosphere, the ion inlet port is left open, and the vacuum within the arrangement is formed by the vacuum of space.

Beim Betrieb des Massenfilters nach der Erfindung werden, wie allgemein in F i g. 1 erläutert ist, bestimmte Spannungen an die Elektroden gelegt. Die Wechselspannungskomponente ist bei allen in Richtung der Y-Achse liegenden Elektroden gleich und entspricht mit umgekehrtem Vorzeichen der Spannung an den Elektroden in Richtung der X-Achse. An die Elektroden der ersten und sechsten Anordnung wird vorzugsweise eine verhältnismäßig niedrige oder sogar überhaupt keine Gleichspannung angelegt. Den Elektroden der zweiten und- fünften Anordnung wird eine größere Gleichspannung zugeführt und den Elektroden der dritten und vierten Anordnung eine noch größere Gleichspannung.When operating the mass filter according to the invention, as generally shown in FIG. 1 is explained, certain voltages are applied to the electrodes. The alternating voltage component is the same for all electrodes lying in the direction of the Y-axis and corresponds with the opposite sign to the voltage at the electrodes in the direction of the X-axis. A comparatively low direct voltage or even no direct voltage at all is preferably applied to the electrodes of the first and sixth arrangement. A higher direct voltage is fed to the electrodes of the second and fifth arrangement and an even higher direct voltage to the electrodes of the third and fourth arrangement.

In den Fällen, in denen die Raumladung Schwierigkeiten bereitet, wird vorzugsweise an die Elektroden der vierten Anordnung eine größere Gleichspannung als an die Elektroden der dritten Anordnung angelegt. Der kurze Abschnitt am Einlaßende des Filters, der auf dem verhältnismäßig niedrigen oder sogar auf keinem Gleichspannungspotential liegt, und das im wesentlichen volle Wechselspannungspotential verändern die Bedingungen irn Eingangsfeld so, daß sie den Störimpuls verringern, den die Ionen erhalten, wenn sie den Bereich durchlaufen, in dem die Gleichspannungsfeldstärke von kleineren zu größeren Werten ansteigt. Vorteile dieser Feldbedingungen liegen in verbessertem Auflösungsvermögen, gesteigerter Empfindlichkeit oder gleicher Leistung bei niedrigeren Spannungen bzw. in einer Kombination aller drei Eigenschaften.In those cases in which the space charge causes difficulties, will preferably a larger DC voltage to the electrodes of the fourth arrangement than applied to the electrodes of the third array. The short section at the inlet end of the filter, which is at the relatively low or even no DC voltage potential is, and the substantially full AC potential change the conditions in the input field in such a way that they reduce the interference pulse received by the ions, when they pass through the area in which the DC field strength is smaller increases to larger values. Advantages of these field conditions are improved Resolving power, increased sensitivity or the same performance at lower Stresses or in a combination of all three properties.

Das Ansteigen der Gleichspannung in den Bereich zwischen der dritten und vierten Anordnung ermöglicht das Vorderteil des Filters mit einem geringeren Auflösungsvermögen als das hintere Teil zu betreiben. Der Vorteil besteht darin, daß die Raumladung eines intensiven Ionenstrahls die Potentiale nicht verändert, was einen Verlust von Ionen, deren Bahnen sonst ohne die Raumladung stabil sein würden, zur Folge hätte. In einem Leckdetektor beispielsweise wird die von einer großen Menge von Luftionen herrührende Raumladung den Verlust von einigen Ionen des Spürgases, beispielsweise Helium, hervorrufen, wenn ein normales Massenfilter verwendet wird. Falls jedoch nach der vorliegenden Erfindung das Auflösungsvermögen im vorderen Teil verringert wird, dann werden die Ionen mit sehr unstabilen Bahnen im hinteren Teil des Filters weiterhin an den Elektroden verlorengehen. Indem aber das vordere Teil des Filters mit niedrigerer Gleichspannung betrieben wird, wird die Stabilität der Spürgasionen gesteigert, so daß die durch die Raumladung bewirkte Feldverzerrung keinen Verlust an Ionen hervorruft.The rise in DC voltage in the area between the third and fourth arrangement allows the front part of the filter with to operate with a lower resolution than the rear part. The advantage is that the space charge of an intense ion beam does not have the potentials changes, causing a loss of ions, whose orbits would otherwise be stable without the space charge would result. For example, in a leak detector, the space charge resulting from a large amount of air ions, the loss of some Ions of the tracer gas, for example helium, cause a normal mass filter is used. However, if according to the present invention, the resolving power If the front part is decreased, then the ions will have very unstable orbits in the back of the filter continue to get lost on the electrodes. But by doing the front part of the filter is operated with a lower DC voltage the stability of the tracer gas ions increased, so that caused by the space charge Field distortion does not cause loss of ions.

Wenn ein Abschnitt am hinteren Ende des Filters im Verhältnis zum Mittelteil mit einer beträchtlich niedrigeren Gleichspannung gespeist wird, wird die »Federkonstante« der schwingenden Ionen wirksam erhöht. Indem die Gleichspannungen zum Auslaßende des Filters hin nach und nach verringert werden, wird die Amplitude der Ionenschwingungen verkleinert, so daß diese das Filter mit einem geringeren Abstand von der Achse verlassen, wie dies der Fall wäre, wenn die Gleichspannungspotentiale gleichmäßig blieben. In vielen Fällen kann es wünschenswert sein, daß die Ionen aus einer sehr viel kleineren Ausgangsöffnung heraustreten. Dies erlaubt die Verwendung von einem kleineren Kollektor, was von besonderer Bedeutung ist, wenn in dem Meßkreis ein Multiplier mit Sekundäremission verwendet wird. Die geringere Auslaßöffnung verringert ebenso die elektrostatische Kopplung mit dem Kollektor, was zur Abschirmung des Kollektors gegen Änderungen im Flektrodenpotential und somit zur Verringerung der Störsignale wesentlich ist. Wenn die geometrische oder elektrische Symmetrie nicht vollständig ist, tritt während der Spannungsanstiege die unerwünschte Nullverschiebung im Meßkreis auf. Dieser Nachteil wird durch die abnehmenden Gleichspannungspotentiale am Auslaßende des Filters verringert oder ausgeschaltet.If there is a section at the rear of the filter in relation to the Middle part is fed with a considerably lower DC voltage the "spring constant" of the oscillating ions is effectively increased. By the DC voltages are gradually decreased toward the outlet end of the filter, the amplitude becomes the ion oscillations are reduced, so that these the filter with a lower Leave distance from the axis as it would if the DC potentials stayed even. In many cases it may be desirable that the ions step out of a much smaller exit opening. This allows it to be used from a smaller collector, which is of particular importance when in the measuring circuit a multiplier with secondary emission is used. The smaller outlet opening also reduces the electrostatic coupling with the collector, leading to shielding of the collector against changes in the electrode potential and thus for a reduction the noise is essential. If the geometric or electrical symmetry is not complete, the undesired zero shift occurs during the voltage rises in the measuring circuit. This disadvantage is caused by the decreasing DC voltage potentials decreased or turned off at the outlet end of the filter.

Kurz zusammengefaßt, erlauben die in einer Linie isoliert voneinander angeordneten Elektroden in einem Massenfilter einen weiteren Bereich von Feldbedingungen zu erzeugen, so daß diese auf die optimalen Betriebsbedingungen und die verschiedenen Anwendungsgebiete eingestelltwerden können.Weiterhin ist es möglich, den Gradienten des Gleichspannungspotentials sich langsam oder abrupt ändernzu lassen, indem einfach mehr oder weniger---;ichtungsgleiche Elektroden der gewünschten Länge verwendet werden. Dieser Vorteil wird erreicht, ohne den wirksamen inneren Durchmesser des Filters zu beeinträchtigen.In a nutshell, those in a line allow isolated from each other arranged electrodes in a mass filter cover a wider range of field conditions to produce, so that these on the optimal operating conditions and the various Areas of application can be set. It is also possible to adjust the gradient of the DC voltage potential can be changed slowly or abruptly by simply more or less ---; electrodes of the same direction of the desired length are used will. This advantage is achieved without affecting the effective inner diameter of the To affect the filter.

Die im folgenden beschriebene Versuchsanordnung -und die mit dieser erzielten Versuchsergebnisse sollen die durch die neue Anordnung erzielten Vorteile gegenüberlierkönimlichenMultipolinassenfilterndeut-]ich machen. Aus der folgenden Beschreibung der Vergleichsmessungen werden Rechte nicht hergeleitet.The experimental set-up described below - and the one with this The test results obtained should reflect the advantages achieved by the new arrangement opposite the royal multi-line filters. From the following Description of the comparative measurements, rights are not derived.

F i g. a zeigt eine Versuchsanordnung, die durch Betätigung eines doppelpoligen Umschalters A B, über den die Elektroden mit Gleichspannung versorgt werden, von einer herkömmlichen in eine Multipolmassenfilteranordnung gemäß der Erfindung und uma - gekehrt umgewandelt werden kann. Die Impe danzen D sind mit 32 MQ sehr hoch im Vergleich zum Innenwiderstand der normalen Elektrodenerregerschaltung, so daß die Betätigung des Schalters A B nur eine vemachlässigbare Änderung der (Wechselspannungs-)Potentiale der Elektroden hervorruft.F i g. can be converted swept - a shows a test arrangement, by actuation of a double-pole change-over switch A B, the electrodes are supplied with direct voltage across the, by a conventional in a Multipolmassenfilteranordnung according to the invention and uma. The impedances D are very high with 32 MQ compared to the internal resistance of the normal electrode exciter circuit, so that the actuation of switch A B only causes a negligible change in the (AC) potentials of the electrodes.

Wie F i g. a zeigt, handelt es sich bei der Versuchsanordnung um einen Quadrupol, dessen Elektroden stabförmig ausgebildet sind. Die Abmessungen des. benutzten Quadrupols sind wie folgt: Stablänge . . « ......................... 25 cm Stababschnittslänge ................... 1,5 ein Durchmesser des Stabs und Stababschnitts 1,5 cin Von den mit dieser Versuchsanordnung vorgenommenen zahlreichen Vergleichsversuchen, wobei der Ionenstrom als Funktion des Auflösungsvermögens für beide Betriebsweisen gemessen wurde, ist einer als Beispiel in F i g. b in Form eines Diagramms. dargestellt. Die zugehörigen Betriebsparameter sind für beide Betriebsweisen in der folgenden Tabelle aufgeführt. Parameter Betriebsweise Üblich erfindungs- gemäß Fall I Erregungsfrequenz in MHz 1,6 1,6 Scheitelwert der Wechsel- ,spannung an den Stäben in Volt ............... 419 419 Scheitelwert der Wechsel- spannung an den Stab- abschnitten in Volt .... 419 419 Gleichspannung an den Stäben in Volt ........ 69 69 Gleichspannung an den Stababschnitten in Volt 69 0 Verstärkter Ionenstrom in Pico-Ampere .......... 150 150 Auflösungsvermögen bei -.50"lo des Spitzenwertes 248 613 #_ Die Vergleichsversuche wurden sorgfältig überwacht, wobei alle anderen Betriebsparameter so konstant wie möglich gehalten wurden. Die Tabelle der Betriebsparameter sowie die in Fig. b dargestellten Versuchskennlinien zeigen deutlich die durch die erfindungsgemäße Anordnung erzielte Erhöhung des Ionenstroms und/oder des Auflösungsvermögens.Like F i g. a shows, the experimental setup is a quadrupole, the electrodes of which are rod-shaped. The dimensions of the quadrupole used are as follows: Rod length . . «......................... 25 cm rod section length ................... 1, 5, a diameter of the rod and rod section 1.5 cin Of the numerous comparative experiments carried out with this experimental arrangement, the ion current being measured as a function of the resolving power for both modes of operation, one is shown as an example in FIG. b in the form of a diagram. shown. The associated operating parameters are listed in the following table for both operating modes. parameter Operating mode Usually inventive according to Case I. Excitation frequency in MHz 1.6 1.6 Peak value of the alternating , tension on the bars in volts ............... 419 419 Peak value of the alternating tension on the rod sections in volts .... 419 419 DC voltage to the Bars in volts ........ 69 69 DC voltage to the Rod sections in volts 69 0 Enhanced ion current in Pico-ampere .......... 150 150 Resolving power at -.50 "lo of the peak value 248 613 #_ The comparison tests were carefully monitored, with all other operating parameters being kept as constant as possible. The table of the operating parameters and the test characteristics shown in FIG. B clearly show the increase in the ion current and / or the resolving power achieved by the arrangement according to the invention.

Claims

Claims: 1. Multipole mass filter with at least four elongated, parallel electrode bodies in a symmetrical arrangement around a central axis and with supply devices for generating an electrical multipole field, characterized in that several multipoles (11; 16; 22; 28; 36; 42), electrical mutually isolated and lying on different potentials, parallel to the central axis (Z) in a row.

2. Multipole mass filter according to claim 1, characterized in that the different potentials supplied to the multipoles comprise both AC voltages and DC voltages. 3. Multipole mass filter according to claim 2, characterized in that the direct voltage supplied to the multipole at at least one end of the filter is lower than the direct voltage supplied to the adjacent multipole further away from the end of the filter. 4. Multipolmassenfilter according to claim 2, characterized in 'that the multipoles supplied at the ends of the filter DC voltages are lower than the voltages which are fed to the intervening multipoles. 5. Multipole mass filter according to one of the preceding claims, characterized in that the DC voltages are adjustable.