DE2202589A1

DE2202589A1 - Mehrpoliges Massenfilter

Info

Publication number: DE2202589A1
Application number: DE19722202589
Authority: DE
Inventors: Turner Wilson R
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1971-02-08
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1972-09-07
Also published as: FR2124551B1; JPS5322874B1; US3725700A; FR2124551A1; GB1361761A

Description

Hewlett-Packard Company

1501 Page Mill Road

Palo Alto

California 94304

Case 626

17. Januar 1972

MEHRPOLIGES MASSENFILTER

Die Erfindung betrifft allgemein mehrpolige Massenspektrometer und insbesondere ein mehrpoliges Massenfilter mit mehreren im wesentlichen parallelen primären Elektroden, die symmetrisch zu einer zentralen Achse angeordnet sind, um eine Erregerspannung mit Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten aufzunehmen, die bezüglich einem Referenzpotential symmetrisch sind, und um wechselnde und statische mehrpolige elektrische Feldkomponenten in dem zentralen Bereich zwischen den ersten Elektroden zu erzeugen.

Das von einem mehrpoligen Massenfilter erhaltene Massenspektrum sollte idealerweise eine Reihe scharf definierter Ionenspitzen (Peaks) aufweisen. In der Praxis sind in dem Massenspektrum dagegen typischerweise schweifartige überdeckungen (tailings),Verschleifungen und andere Fehler enthalten, welche entweder andere in dem Massenspektrum enthaltene Ionenspitzen überdecken oder fälschlicherweise als Ionenspitzen in dem Massenspektrum erscheinen. Dies beein-

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trächtigt das Auflösungsvermögen des mehrpoligen Massenfilters ernsthaft. Ein anderes bei einem mehrpoligen Massenfilter üblicherweise auftretendes Problem und besteht in dem zeitlichen Wechsel sowohl der Gestalt der lonenspitze als auch der Empfindlichkeit, und diese Erscheinungen sind wenigstens zum Teil auf eine lonenansammlung auf den Elektroden des mehrpoligen Massenfilters zurückzuführen.

Dementsprechend liegt der Erfindung in erster Linie die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes mehrpoliges Massenfilter vorzusehen, welches Fehlanzeigen wesentlich vermindert und das Auflosungsvermögen bis zu dem Punkt steigert, wo

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eine Messung von C im natürlichen Zustand vorgenommen werden kann. Außerdem sollen zeitliche Änderungen in der Gestalt der lonenspitze und in der Empfindlichkeit kompensiert werden können.

Ausgehend von einem mehrpoligen Massenfilter der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine oder mehrere getrennte Hilfselektroden zwischen jedem anliegenden Paar von primären Elektroden längs deren Länge außerhalb des zentralen Bereiches zwischen den primären Elektroden vorgesehen sind.

Es können entweder eine einzelne Hilfselektrode oder ein Paar von Hilfselektroden Seite an Seite oder außerhalb voneinander zwischen jedem anliegenden Paar primärer Elektroden längs deren voller Länge angeordnet sein. Diese Hilfselek-

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troden können beispielsweise elektrisch leitende Rohre, Stangen, Kämme oder bifilare Schraubenfederri sein. Sie werden mit einer Reihe unabhängig voneinander einstellbarer Gleichspannungsquellen eingestellt, und zwei oder mehr der Elektroden können auf dem gleichen Potential oder auf verschiedenen Potentialen gehalten v/erden, wie es für den optimalen Betrieb des mehrpoligen Massenfilters zweckmäßig erscheint. Darüber hinaus können die Potentiale, mit denen die Hilfselektrode!! betrieben werden, von Zeit zu Zeit wieder eingestellt werden, wie es für den Betrieb bei verschiedenen Massenbereichen zweckmäßig ist und wie es zur Konpensation der zeitlichen Änderungen in der Gestalt der Ionenspitzen und der Empfindlichkeit erforderlich ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen

Fig. 1 eine Ansicht eines mehrpoligen Massenfilters;

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht des Massenfilters nach Fig. 1 längs der Linien 2-2;

Fig. 3 eine logarithmische Darstellung der Intensitäten der Ionenspitzen 69 und 70 eines Massenspektrums von Perfluortributylamin, welches durch die Verwendung eines mehrpoligen Massenfilters nach Fig. 1 oder 2 ohne HiIfselektroden erhalten wurde;

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Fig. 4 eine logarithmische Darstellung der Intensitäten der gleichen Ionenspitzen, welche durch die Verwendung des mehrpoligen Massenfilters der Fig. 1 und 2 mit den Hilfselektroden erhalten wurde;

Fig. 5 und 6 vereinfachte Querschnittsansichten von mehrpoligen Massenfiltern nach anderen Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 7A bis 9B Seiten-und Querschnittsansichten verschiedener Hilfselektroden, die in den mehrpoligen Massenfiltern nach Fig. 1 und 2, 5 und 6 an Stelle der dort dargestellten Hilfselektroden verwendet werden können.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Vierpol-Massenfilter mit einem zylindrischen und elektrisch leitenden Gehäuse 10 vorgesehen, welches beispielsweise aus nichtrostendem Stahl besteht. Das Gehäuse 10 wird bei einem Bezugspotential, beispielsweise Erdpotential betrieben und befindet sich in einer evakuierten Kammer, wenn das Vierpol-Massenfilter im Laboratorium verwendet werden soll. Diese evakuierte Kammer ist nicht erforderlich, wenn das Vierpol-Massenfilter in der Forschung oberhalb der Atmosphäre, also im Vakuum des äußeren Raumes betrieben werden soll.

Vier parallele, sich nebeneinander erstreckende elektrisch leitende zylindrische primäre Elektroden 12, 14, 16 und 18 sind elektrisch voneinander und starr innerhalb des Gehäuses

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10 beispielsweise durch ein Paar elektrisch isolierter ringförmiger Keramikträger 19 befestigt, welche an dem Gehäuse 10 angeordnet sind und fluchtende, symmetrische, allgemein halbkreisförmige Einschnitte an ihren Innenumfang zur Aufnahme der primären Elektrode aufweisen. Diese Träger sind metallisiert und längs dieser im allgemeinen halbkreisförmigen Einschnitte mit den primären Elektroden verlötet. Die primären Elektroden sind symmetrisch um die zentrale Achse Z des mehrpoligen Massenfilters angeordnet, wobei die zentralen Achsen der primären Elektroden 12 und 14 diametral gegenüber und in der Y-Z-Ebene liegen und wobei die zentralen Achsen der primären Elektroden 16 und 18 diametral gegenüber und in der orthogonalen X-Z-Ebene liegen. ·

Gemäß Fig. 1 sind die diametral gegenüberliegenden primären Elektroden 12 und 14 elektrisch gemeinsam mit einem Ende einer Vierpol-Treiberschaltung 20 verbunden, wie sie beispielsweise in der amerikanischen Patentanmeldung Serial-Nr. 738 142 mit dem Titel "Quadrupole Mass Filter with Electrode Structure for Fringing-Field Compensation", eingereicht am 19. Juni 1968 auf die Namen Edward F. Barnett, Donald L. Hammond und William S.W. Tandler beschrieben ist. Die diametral gegenüberliegenden Elektroden 16 und 18 sind in ähnlicher Weise gemeinsam mit einem anderen Anschluß der Vierpol-Treiberschaltung 20 verbunden. Eine Erregerspannung

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weist sowohl eine symmetrierte Gleichspannungskomponente +U und eine symmetrierte Wechselspannungskomponente +Vcos «t auf und wird an die Elektroden 12 und 14 und an die diametral gegenüberliegenden primären Elektroden 16 und 18 angelegt, um ein Vierpolfeld zu erzeugen, bei welchem an den primären Elektroden Wechselspanr.ungs- und Gleichspannungskomponenten anliegen. Die positive Gleichspannungskomponente +U der Erregerspannung wird den diametral gegenüberliegenden primären Elektroden 12 und zugeführt, und die negative Gleichspannungskomponente -U wird den diametral gegenüberliegenden primären Elektroden 16 und 18 zugeführt. Alle Spannungen sind auf Vierpolmasse bezogen, und dieses Potential wird am Bezugspotential des Gehäuses 10 aufrechterhalten.

Ein getrenntes Paar paralleler, elektrisch leitfähiger, abgeflachter, rohrförmiger Hilfselektroden 22 des Materials "Kovar" sind elektrisch voneinander isoliert und starr in dem Gehäuse IO zwischen und im wesentlichen parallel zu den Elektroden 12 und 18, 18 und 14, 14 und 16 und 16 und 12 angeordnet. Die Hilfselektroden sind im wesentlichen symmetrisch zu der zentralen Achse Z angeordnet und befinden sich zwischen den primären Elektroden außerhalb des Mittelbereiches, der durch einen Zylinder begrenzt wird, der zwischen den primären Elektroden liegt. Jedes Paar von Hilfselektroden 22 ist in einem bestimmten Abstand miteinander verbunden durch elektrisch isolierende Glasperlen 24 und ist beispielsweise dadurch befestigt, daß

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die Hilfseiektroden an jedem Ende an elektrisch leitfähige Kovar-Stäbe 26 durch Punktschweißung befestigt werden/ welche wiederum in ähnlicher Weise mit den nicht-rostenden, elektrisch leitfähigen Stahlträgern 28 verbxmden sind. Diese nicht-rostenden Stahlträger sind starr neben den Enden der primären Elektroden durch elektrisch isolierende keramische Abstandshalter 30 befestigt, die mit den Enden der primären Elektroden verbunden sind und kreisförmige Vorsprünge 32 aufweisen, um in entsprechende Löcher in den rostfreien Stahlträgern einzugreifen.

Die beiden Hilfseiektroden 22, welche jeweils durch Stahlträger 28 gehalten werden, sind elektrisch von den anderen Hilfseiektroden durch Glasperlen 24 isoliert und elektrisch gemeinsam durch den rostfreien Stahlträger und die angeschlossenen Kovar-Stäbe 26 und durch einen getrennten Widerstand 34 von ungefähr 5 Milmit einer von vier unabhängig einstellbaren Quellen 36 für eine Regelgleichspannung E. bis E. verbunden. Dadurch ergeben sich vier unabhängig voneinander regelbare Parameter E, bis E>, die eingestellt werden können, um das elektrische Vierpolfeld zwischen den primären Elektroden 12 bis 18 zu ändern und Nebenspitzen in den Massenspektren zu vermindern, die durch das Vierpolmassenfilter erhalten werden und um dadurch das Auflösungsvermögen des Massenfilters zu verbessern, so daß zeitliche Änderungen in der Gestalt und Stärke der Ionenspitzen wegen des Ionenaufhaus auf den primären Elektroden

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oder aus anderen Gründen kompensiert werden. Darüber hinaus wird die Gestalt der Ionenspitze gesteuert und das Verhalten des Vierpol-Massenfilters über verschiedene Massenbereiche optimiert. Bei Werten der Gleichspannungsund Wechselspannungskomponenten V und U im Bereich von -2000 bis + 2000 V und von -325 bis +325 V liegen die optimalen Regelgleichspannungen E, bis E. etwa in einem Bereich von -40 bis +40 V. Darüber hinaus kann es bei einigen Anwendungen in bezug auf große Massenbereiche wünschenswert sein, einen oder mehrere der Parameter E, bis E- mit der Gleichspannungskomponente U der Erregerspannung zu ändern.

Die Wirksamkeit der Hilfselektroden 22 kann mit Hilfe der Fig. 3 und 4 erläutert werden. In Fig. 3 sind Ionenspitzen 69 und 70 eines Massenspektrums von Perfluortributylamin dargestellt, welches durch Verwendung eines Massenspektrometers erhalten wurde, das eine Ionenquelle 38 enthält,

wie sie in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Ionisationskammer" (Erfinder: William P. Kruger und Wilson R. Turner) beschrieben ist.

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Es ist ersichtlich, daß die bedeutendste Ionenspitze 69 eine Seitenspitze 42 von etwa 1 % der eigenen Größe und etwa in der Größe der nächsten Ionenspitze 70 aufweist. Diese seitliche Spitze kann entweder eine andere Ionenspitze in dem Massenspektrum überdecken oder eine in dem Massenspektrum nicht enthaltene Ionenspitze vortäuschen. In jedem Fall beeinträchtigt sie die Auflösung beträchtlich. Zu Vergleichszwecken sind in Fig. 4 die gleichen lonenspitzen dargestellt, indem das gleiche Massenspektrometer mit Hilfselektroden 22 verwendet wurde. Es ergibt sich, daß die seitliche Spitze 42 um einen Faktor von mehr als 10 auf ungefähr 0,04 % der Größe der bedeutendsten Ionenspitze und auf wesentlich weniger als 10 % der Größe der nächst bedeutsamen lonenspitze 70 verringert wurde. Dies stellt eine beträchtliche Verbesserung des Auflösungsvermögens dar. Beim Erhalten der lonenspitzen nach Fig. 3 und 4 wurden eine Gleichspannungskomponente U von ungefähr + 35V und eine Wechselspannungskomponente V von ungefähr + 210 V verwendet und für die lonenspitzen der Figur 4 werden Spannungen E,, E und E. von 0 V und eine Regelgleichspannung E₃ von 2 V verwendet.

Die Hilfselektroden können in anderen als den in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen verwendet werden. Beispielsweise kann eine einzelne Hilfselektrode 44 fest zwischen jedem anliegenden Paar von primären Elektroden 12 und 18, 18 und

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14, 14 und 16 und 16 und 12 gemäß Fig. 5 angeordnet werden. Wahlweise kann ein Paar Hilfselektroden 44 außerhalb voneinander und elektrisch isoliert voneinander fest zwischen jedem dieser Paare von primären Elektroden gemäß Fig. 6 vorgesehen werden. Die Hilfselektroden können elektrisch leitende abgeflachte Rohre 22 gemäß Fig. 1 und 2, kreisförmige Stangen 44 gemäß Fig. 4 und 5, rechteckförmige Stangen 46 gemäß Fig. 7A und 7B, Paare beabstandeter Kämme 48 gemäß Fig. 8A und 8B oder bifilare Schraubenfedern 50 und 52 gemäß Fig. 9A und 9B aufweisen. Zwei oder mehr der Hilfselektroden irgendwelcher Anordnung oder Ausbildung können auf dem gleichen Potential oder verschiedenen Potentialen betrieben werden, wie für den optimalen Betrieb des Vierpol-Massenfilters erforderlich ist.

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Claims

Hewlett-Packard Company Jff 15Ol Page Mill Road Palo Alto California 94304 USA Case 626 17. Januar 1972 Patentansprüche

1.) Mehrpoliges Massenfilter mit mehreren im wesentlichen parallelen primären Elektroden, die symmetrisch zu einer zentralen Achse angeordnet sind, um eine Erregerspannung mit Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten aufzunehmen, die bezüglich einem Referenzpotential symmetrisch sind, und um wechselnde und statische mehrpolige elektrische Feldkomponenten in dem zentralen Bereich zwischen den ersten Elektroden zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet , daß eine oder mehrere getrennte Hilfselektroden (42) zwischen jedem anliegenden Paar von primären Elektroden entlang deren Länge außerhalb des zentralen Bereichs zwischen den primären Elektroden vorgesehen sind.

2. Massenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich~ net, daß wenigstens einige der Hilfselektroden (22) unabhängig voneinander mit verschiedenen Potentialen beaufschlagbar sind.

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3. Massenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine Hilfselektrode (22) zwischen jedem anliegenden Paar primärer Elektroden (12, 14, 16 und 18) unabhängig auf einem Potential betrieben werden kann, das unterschiedlich von wenigstens einer Hilfselektrode ist, die zwischen jedem der anderen anliegenden Paare von primären Elektroden angeordnet ist.

4. Massenfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Hilfselektroden symmetrisch um die zentrale Achse (Z) entlang der vollen Länge der primären Elektroden angeordnet sind.

5. Massenfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden eine einzige Hilfselektrode (44) aufweisen, die zwischen jedem der anliegenden Paare primärer Elektroden angeordnet ist.

6. Massenfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Hilfselektroden einen elektrisch leitenden Stab (46) oder ein Rohr (22) aufweist.

7. Massenfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfselektroden ein getrenntes Paar Hilfselektroden (22) aufweisen, das zwischen jedem der anliegenden Paare primärer Elektroden angeordnet ist.

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8. Massenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Paare von Hilfselektroden ein Paar elektrisch leitender Stäbe (44) oder Rohre (22) aufweist, die unabhängig voneinander auf verschiedenen Potentialen betrieben werden können.

9. Massenfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Stäbe oder Rohre jedes der Paare von Hilfselektroden Seite an Seite angeordnet sind.

10. Massenfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitfähigen Stäbe (44) oder Rohre 'jedes der Paare von Hilfselektroden außerhalb voneinander angeordnet sind.

11. Massenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Paare von Hilfselektroden ein Paar elektrisch leitfähiger Kämme (48) aufweist, das unabhängig mit verschiedenen Potentialen beaufschlagt werden kann.

12. Massenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Paare von Hilfselektroden ein Paar elektrisch leitfähiger bifilarer Schraubenfedern (50, 52) aufweist, das unabhängig auf verschiedenen Potentialen betrieben werden kann.

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13. Massenfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die primären Elektroden vier im wesentlichen parallele elektrisch leitfähige zylindrische Stäbe (12, 14, 16, 18) aufweisen, die Hilfselektroden elektrisch leitfähige Glieder (22) aufweisen, die an den Enden der primären Elektroden gehalten sind, daß eine Ionenquelle (38) nahe einem Ende des zentralen Bereiches zwischen den primären Elektroden vorgesehen ist und Ionen längs der zentralen Achse fokussiert und ein Ionendetektor (40) neben dem anderen Ende des zentralen Bereiches zwischen den primären Elektroden zur Erfassung von Ionen vorgesehen ist.

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