DE1698193C3 - Elektrisches Multipolfilter zum Trennen von Ionen verschiedener Masse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Multipolfilter zum Trennen von ionen verschiedener Masse, bei dem mindestens eine der das Multipolfeld erzeugenden Elektroden an der Eintritts- und/oder Austrittsseite des Ionenstrahl mindestens eine Hilfselektrode aufweist, die gegenüber der zugeordneten Elektrode in Richtung auf das Zentrum des Ionenstrahl vorspringt. Ein derartiges Multipolfilter ist aus der US-PS 31 79 327 bekannt.

Beim Betrieb von aus der US-Patentschrift 31 97 633 bekannten Monopol- oder Quadrupol-Massenfiltern ohne Hilfselektroden hatte es sich herausgestellt, daß die zu analysierenden Ionen einen unerwünschten Impuls in Radialrichtung erhalten, wenn sie für mehr als zwei oder drei Perioden der zur Ausbildung des elektrischen Feldes an die Elektroden angeschlossenen Wechselspannung dem elektrischen Randfeld bei der Eintrittsöffnung oder bei der Austrittsöffnung des Filters ausgesetzt sind. Falls dieser Radioimpuls genügend groß ist, kann das Ion mit einer Elektrode ii. Berührung kommen, so daß es dort entladen wird. Auf diese Weise wird die Menge der zu analysierenden Ionen vermindert, die sonst zur Bildung des Ergebnisses der Massenanalyse herangezogen würden. Aus diesem Grunde hat man das aus der US-Patentschrift 31 29 327 bekannte Massenfilter mit Hilfselektroden ausgerüstet, um durch an diese Hilfselektroden gelegte Spannungen die Randfelder in einer geeigneten Weise zu steuern. Damit die Ionen möglichst ungestört von dem feldlosen Bereich außerhalb des Filters in den Bereich mit einem sehr starken elektrischen Feld in der Mitte des Massenfilters übergehen, hat man das Verhältnis der Amplituden von Gleichspannung zu Wechselspannung an den Hilfselektroden im Vergleich zu dem entsprechenden Verhältnis an den zugeordneten Elektroden vermindert. Auf diese Weise ist es möglich, den Übertragungswirkungsgrad des Massenfilters erheblich zu steigern. Bei dieser bekannten Anordnung wird allerdings die größere Ausnutzung der in den Analysierbereich eintretenden Ionen zur Bildung des Analysenergebnisses auf Kosten eines höheren Aufwands erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den störenden Einfluß der Randfelder auf die Ionen nur mit einfachen baulichen Mitteln zu vermindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs beschriebene elektrische Multipolfilter nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode ir.'t der zugeordneten Elektrode leitend verbunden ist.

Durch die beim Erfindungsgegenstand vorgenommene Verringerung des Abstands zwischen den Elektroden des Massenfiliers an der Eintritts- und/oder Austrittsseite des Ionenstrahl erreicht das elektrische Feld näher bei der Eintritts- bzw. Austrittsöffnung seine volle Feldstärke, ohne daß dazu die bei dem aus der US-Patentschrift 31 29 327 bekannten Massenfilter mit Hilfselektroden beschriebene elektrische Schaltungsanordnung zum Ansteuern der Hilfselektroden mit einer geeigneten Gleich- und Wechselspannung notwendig

Zur Vereinfachung der Konstruktion ist bei einer Weiterbildung der Erfindung die Hilfselektrode an die Elektrode angeformt. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Hilfselektrode eine auf die Elektrode aufgesetzte

Scheibe. . .

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand einer Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematiche Ansicht eines herkömmlichen Ouadrupol-Massenfilters,

Fig.2 ein nach der Erfindung ausgebildetes Elektrodenpaar für ein derartiges Massenfilter,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig.4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung

Fi". 5 ein Stabilitätsdiagramm für ein Quadrupol-

Massenfilter.

Das in Fig. 1 gezeigte Massenfilter weist vier längliche, das elektrische Feld erzeugende Elektroden 10 auf, die als zylindrische Stäbe ausgebildet und jeweils um 90° um eine Längsachse 12 \ ersetzt sind. Die Längsachse 12 wird mit Z-Achse bezeichnet. Weiterhin sind in der Figur am Eintrittsende des Massenfiliers die beiden weiteren kartesischen Koordinaten eingetragen, nämlich die X-Achse 14 und die V-Achse 16. Die in der AZ-Ebene liegenden Stäbe sind die positiven oder X-Stäbe, und die in der YZ- Ebene liegenden Stäbe sind die negativen oder V-Stäbe. Eine Wechsclspannungsquelle 18 und oine Gleichspannungsquelle 20 sind jeweils an die xY-Stäbe und >'-Stäbe angeschlossen. Der positive Pol der Gleichspannungsquelle ist dabei mit den A"-Stäben und der negative Pol der Gleichspannungsquelle mit den V-Stäben verbunden. Auf diese Weise wird ein elektrisches Quadrupol-FeId im Analysierbereich hervorgerufen.

Die stabförmigen Elektroden werden im allgemeinen von einem evakuierten Gehäuse (nicht gezeigt) umgeben. Die zu analysierenden Ionen stammen von einer Quelle 11 und werden in Längsrichtung der Stäbe auf einen Detektor 15, der am Ausgangsende der Elektrodenstäbe angeordnet ist, in den Analysierbercich gegeben. Die in das Analysierfeld eingeschossenen Ionen werden dann hinsichtlich eines vorgegebenen Masse/Ladung-Verhältnisses sortiert, das von der Amplitude der Wechselspannung und Gleichspannung und von der Frequerz der dem Analysator zugeführten Wechselspannung bestimmt ist.

Die Arbeitsweise eines Quadrupol-Massenfilters wird gewöhnlich an Hand eines Diagramms beschrieben, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die längs der Ordinate 48 und Abszisse 50 dieses Stabilitätsdiagramms aufgetragenen Parameter sind der Amplitude der an die Elektroden des Massenfilters angeschlossenen Gleich- bzw. Wechselspannung proportional. Bei einem vorgegebenen Wert für die Wechsel- und Gleichspannung sowie für die Frequenz der Wechselspannung kann man die durch das

Analysierfeld übertragenen Ionen an Hand der Kurve 52 bestimmen, die a!s Abtastkurve oder Abiastlinie bezeichnet wird Der drcieckiörmige Bereich 54 im Diagramm der Fig. 5 wird als der stabile Bereich bezeichnet. Die zur linken und rechten außerhalb dieses dreieckigen stabilen Bereichs liegenden Bereiche «,erden unstabile Y- und X-Bereiche genannt. Für die in F i g. 5 gezeigten Verhältnisse werden daher dip Ionen eines schmalen Massenbereiches, der den Punkten auf der Linie 52 gerade unterhalb der Spitze des Dreiecks entspricht, vom Analysator übertragen.

Die Abtastlinie 52 kann man auch heranziehen, um die Bedingungen für ein lon zu erläutern, das normalerweise durch den Analysator übertragen wird, wenn es am Eingang des Analysator durch das Randfeld läuft. Da in diesem Bereich die Feldstärke von Null bis zu ihrem vollen Wert anwächst, haben die Ionen, die ein zur übertragung geeignetes Masse/Leitung-Verhältnis aufweisen, beim Passieren dieses Bereiches eine nichtstabile Flugbahn. Sie entsprechen also in diesem Randfeld Ionen, deren Arbeitspunkte auf demjenigen Teil der Abtastlinie liegen, die in den nichtstabilen V-Bereich des Stabiliiätsdiagrarnms fallen. Im nichtstabilen V-Bereich erhalten die Ionen einen Impuls in der V-Richtung. Falls der Impuls hinreichend groß ist. trifft das Ion aul einen Elekirodensiab auf und entlädt sich.

LIm diese Auswirkungen des Randfeldes zu verringern, werden an der Eintrittsöffnung zum An;>'ysicrbereich eine oder mehrere der das elektrisch·.· Feld erzeugenden Elektroden in einer in der F i g. 2 gezeigten Weise geformt. Wie es die Abbildung zeigt, wird der Abstand /wischen den Stäben am Eingangsende senkrecht zur Richtung der Längsachse 12 des Analysierbereiches vermindert. Die durch eine Eintrittsblende 26 eingeschossenen Ionen durchlaufen daher schneller die Strecke zwischen dem beim Eintrittsende 28 der Elektroden 2t und 23 liegenden feldlosen Bereich und dem Bereich maximaler Feldstärke im Inneren des Analysierbereichs, da diese Strecke kürzer ist Infolge der Verminderung dieser Randfeldstrecke in Richtung der Längsachse 12 des Analysator* werden die in den Analysator eintretenden Ionen während einer kleineren Anzahl von Perioden der mit den Elektroden verbundenen Wechselspannung ausgesetzt, so daß der den geladenen Teilchen normalerweise erteilte radiale impuls geringer ist. Das bedeutet, daß die Ionen den stabilen Bereich des Siabilitätsdiagramms in einer kürzeren Zeit erreichen.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den F i g. 3 und 4 gezeigt. Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausiuhi'ungsform sind zwei Elektroden 30 und 32 an ihrem Eingangsende mit Scheiben 34 und 36 versehen, die leitend mit den Elektroden verbunden sind. Diese Scheiben 34 und 36 verringern den Abstand zwischen den Elektroden am Eintrittsende des Analysierbereichs und verkürzen auf diese Weise die Länge des störenden Randfeldes. Bei der in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsform weisen zwei Elektroden 42 und 44 jeweils einen Bund 38 bzw. 40 an ihrem Ende auf. Mit größerem Bunddurchmesser nimmt der Abstand senkrecht zur Längsachse 12 am Ende der Elektroden ab.

Obwohl die Erfindung im vorliegenden Fall an Hand eines Quadrupol-Massenfilters beschrieben ist, kann sie gleichermaßen bei einem Monopol-Massenfilter angewendet werden. Durch die Verringerung des Abstandes zwischen den das elektrische Feld erzeugenden Elektroden bei der Eintrittsöffnung des Filters wird die Länge des störenden Randfeldes verkürzt und damit der Übertragungswirkungsgrad des Filters erhöht. Vorzugsweise sollten die nach der Erfindung vorgenommenen Abänderungen am Eingangs;.nde der Elektroden symmetrisch und für jeden Elektrodenstab gleich sein. Bei einem Quadrupol-Massenfilter werden vorzugsweise nur die negativen oder V-Stäbe abgeändert, da der Radialimpuls normalerweise in V-Richtung erfolgt.

Bei der Austrittsöffnung des Analysierbereichs werden vorzugsweise dieselben Abänderungen an den das elektrische Feld erzeugenden Elektroden vorgenommen. Am Austrittsende herrscht nämlich ein ähnliches Randfeld, das den Ionen einen ähnlichen radialen Impuls mitteilt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrisches Multipolfilter zum Trennen von Ionen verschiedener Masse, bei dem mindestens eine der das Multipolfeld erzeugenden Elektroden an der Eintritts- und/oder Austrittsseite des Ionenstrahls mindestens eine Hilfselektrode aufweist, die gegenüber der zugeordneten Elektrode in Richtung auf das Zentrum des Ionenstrahl vorspringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode mit der zugeordneten Elektrode leitend verbunden ist.

2. Multipolfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode an die Elektrode angeformt ist.

3. Mukipolfüter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode eine auf die Elektrode aufgesetzte Scheibe ist.