DE2415259A1

DE2415259A1 - Verfahren und einrichtung zum raeumlichen trennen von elektrischen gleichund wechselfeldern und deren anwendung auf randfelder in quadrupol-massenfiltern

Info

Publication number: DE2415259A1
Application number: DE2415259A
Authority: DE
Inventors: Wade Lanford Fite
Original assignee: Extrel CMS LLC
Current assignee: Extrel CMS LLC
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1975-01-30
Also published as: JPS5042890A; JPS5833659B2; GB1460634A; FR2228294A1; US3867632A; FR2228294B1

Description

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EXTRANUCLEAR LABORATORIES, INC., Pittsburgh, Pennsylvania, VStA

Verfahren und Einrichtung zum räumlichen Trennen von elektrischen Gleich- und Wechselfeldern und deren Anwendung auf Randfelder in Quadrupol-Massenfiltern

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von räumlicher Trennung zwischen Feldern, die von Elektroden ausgehen und die durch Überlagerung von Gleichspannungen (einschließlich von Spannungen, die sich mit niedriger Frequenz ändern) und Wechselspannungen an den Elektroden erzeugt werden.

Insbesondere jedoch nicht ausschließlich bezieht sich die Erfindung auf die Trennung von Randfeldern,die in der Nähe von Enden der Elektrodenanordnung eines Guadrupol-Massenfilters erzeugt werden. Ein Beispiel eines Guadrupol-Massenfilters ist in dem US-Patent 2 939 952 beschrieben. Das in diesem Patent beschriebene Massenfilter besteht aus vier im wesentlichen parallelen hyperbolisch geformten (Schicht-) Elektroden (oder zylindrischen Stäben), die symmetrisch um eine Achse angeordnet sind. Gegenüberliegende Stabs sind elektrisch verbunden. An zwei elektrisch miteinander ver-

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bundene , gegenüberliegend angeordnete Elektroden wird eine Gleichspannung U und eine Wechselspannung einer Amplitude V angelegt. An das andere elektrisch miteinander verbundene, gegenüberliegend angeordnete Elektrodenpaar werden gleiche Spannungen angelegt, deren elektrische Polarität jedoch umgekehrt wie die an dem ersten Elektrodenpaar ist. Bei geeigneten Einstellungen der Gleichspannung und der Amplitude der Wechselspannungen besitzen Ionen mit einem vorgegebenen Ladung/Masse-Verhältnis stabile Flugbahnen und oszillieren um die Achse, wobei sie nicht an die Elektroden stoßen j Ionen mit einem anderen als dem vorgegebenen Ladung/Masse-Verhältnis laufen auf unstabilen Bahnen, wobei sie auf die Elektroden auftreffen. Wenn Ionen entlang der Achse der Elektrodenanordnung eingeschossen werden, treffen die Ionen mit dem gegebenen Ladung/Masseverhältnis nicht auf die Elektroden und treten an dem entgegensetzten Ende aus der Elektrodenanordnung aus. Ionen mit einem anderen als dem vorgegebenen Ladung/Masseverhältnis werden in Querrichtungen beschleunigt, so daß sie auf die Elektroden auftreffen und daher nicht aus dem entgegengesetzten Ende der Elektrodenanordnung austreten können. Auf diese Weise arbeitet die Elektrodenanordnung als ein "Massenfilter" für Ionen.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum räumlichen Trennen von elektrischen Gleich- und Wechselfeldern geschaffen, bei dem ein Material verwendet wird, das für die Wechselfelder im wesentlichen als ein hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder im wesentlichen als ein elektrischer Leiter wirkt.

Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren zum räumlichen Trennen der Gleich- und Wechselfelder nahe eines Endes eines Quadrupol-Massenfilters geschaffen, bei dem eine Feldtrenneinrichtung verwendet wird, die ein Material enthält, das für das Wechselfeld im wesentlichen als ein hohes Di-

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elektrikuin und für die Gleichfelder im wesentlichen als ein Leiter wirkt.

Ferner wird durch die Erfindung ebenfalls eine Einrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Einschusses und/ oder der Transmission für Ionen, die durch Quadrupol-Massenfilter hindurchlaufen, geschaffen, die eine Feldtrenneinrichtung enthält, die so aufgebaut ist, daß sie wenigstens an einem Ende der Polanordnung des Massenfilters anbringbar ist, und ein Material enthält, das für die Wechselfelder des Massenfilters im wesentlichen als ein hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder des Massenfilters im wesentlichen als ein elektrischer Leiter wirkt, bei der das Material derart geformt ist, daß es eine Öffnung freiläßt, durch die die Ionen entlang eines Weges hindurchfliegen können, der auf den Weg der Ionen durch das Massenfilter ausgerichtet ist, und bei dem die Geometrie der Anordnung derart ist, daß sich die Wechselfeld-Randfelder durch sie bei einer gegebenen relativen Feldstärke im Raum von den Enden des Massenfilters relativ weiter weg erstrekken als die Gleichfeld-Randfelder, wobei diese relative Feldstärke als die Stärke des Feldes an einem gegebenen Punkt, dividiert durch die Stärke des entsprechenden Feldes innerhalb der Massenfilterelektrodenanordnung, definiert ist.

Ferner wird gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Einschusses und/oder der Transmission für Ionen, die durch Quadrupol-Massenfilter hindurchlaufen, geschaffen, die ein aus Material bestehendes Rohr enthält, das wenigstens von einem Ende der Elektroden des Massenfilters entlang dessen Achse und in den Raum zwischen den Elektroden eingeschoben ist, wobei in das Massenfilter eintretende oder das Massenfilter verlassende Ionen durch dieses Rohr hindurchlaufen, bei dem ferner das von dem Massenfilter entfernt liegende Ende des

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Rohres elektrisch mit Erde verbunden ist und bei dem das Material des Rohres derart ist, daß es für die Wechselfelder des Massenfilters im wesentlichen als hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder des Massenfilters im wesentlichen als elektrischer Leiter wirkt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele für ein Verfahren gemäß der Erfindung und für eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Betriebs von Quadrupol-Massenfiltern unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1a zeigt schematisch die Wirkung eines reinen Dielektrikums, das die Form eines Rohres aufweist, welches in ein Massenfilter eingesteckt ist;

Fig. 1b ist ähnlich der Fig. 1a mit der Ausnahme, daß das Rohr aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht;

Fig. 1c ist ähnlich den Figuren 1a und 1b, wobei jedoch das Material als ein Dielektrikum für elektrische Felder wirkt, die durch die Wechselspannungen erzeugt worden sind, und als ein Leiter gegen das durch eine Gleichspannung erzeugte Feld wirkt;

Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung, in der ein Rohr in Übereinstimmung mit der Erfindung angrenzend an die Elektrodenanordnung des Quadrupol-Massenfliters, jedoch außerhalb desselben angeordnet ist;

Fig. 3 ist ähnlich der Fig. 2, wobei jedoch ein Trichter oder ein konisches Teil anstelle des zylindrischen Rohres vorgesehen ist;

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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Anordnung gemäß der Erfindung, bei der das Material, das die Trennung der erzeugten elektrischen Gleich- und Wechselfelder bewirkt, in Form eines Kreisrings vorliegt, der an dem'Ende der Elektrodenanordnung eines Quadrupol-Massenfilters angeordnet ist, und

Fig. 5 ist eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich der in Fig. 4 dargestellten, bei der der Kreisring durch mehrere getrennte Teile mit dielektrischen Eigenschaften in Übereinstimmung mit der Erfindung ersetzt worden ist.

Die Verfahren und Einrichtungen, die nun genauer beschrieben werden sollen, betreffen Massenfilter der oben angegebenen Art. In diesen Filtern muß ein Ion, das in die Elektrodenanordnung des oben beschriebenen Massenfilters eintritt, durch Randfelder hindurchfliegen, die sich in der Nähe der Elektrodenanordnung befinden und über diese hinausreichen. Die Ionen müssen ebenfalls durch ein ähnliches Randfeld hindurchlaufen, wenn sie aus dem gegenüberliegenden Ende der Elektrodenanordnung austreten. Es ist beobachtet worden, daß das Verhältnis der Gleichfeldstärken zu der Wechselfeldstärke in den Randfeldern das gleiche wie in der Elektrodenanordnung selbst ist. Ferner ist ein Ion mit einem gegebenen Ladung/Masse-Verhältnis, das innerhalb der Elektrodenanordnung selbst stabil ist, auf einer unstabilen Flugbahn, wenn es sich in den Randfeldern befindet. Obgleich daher ein Ion innerhalb der Elektrodenanordnung selbst stabil wäre, kann es nicht in die eigentliche Elektrodenanordnung gelangen aufgrund seiner unstabilen Flugbahn in den Randfeldern. Diese Tatsache kann die Transmission von Ionen eines vorgegebenen Ladung/Masse-Verhältnisses merklich verringern, da die Ionen in den Randfeldern abgelenkt oder zurückgeworfen werden. Es ist daher wünschenswert, die Wechselfelder und die Gleichfelder räumlich zu trennen.

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Zum Verständnis der folgenden Beschreibung wird zuerst auf die grundlegenden Gleichungen Bezug genommen, die elektromagnetische Felder beschreiben und als die Maxwell^fsehen Gleichungen bekannt sind. Unter Verwendung dieser Gleichungen für elektrische Felder kann für das elektrische Feld E innerhalb eines Mediums mit einer Dielektrizitätskonstantes-, einer magnetischen Permeabilität /U und einer elektrischen Leitfähigkeit a die Beziehung abgeleitet werden :

div (_εΊΐ ) = 0 (1)

₃ ² lf 4ττσ öl* \ •3t^ ε 8t '

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist (3 χ 10 cm/s).

Jedes mit der Zeit variierende Feld kann in Ausdrücken eines Fourier-Integrals oder durch eine Reihendarstellung beschrieben werden, wobei eine Komponente dieser Darstellung von der Form:

E = E_Qe (3)

ist, wobei E_n der räumliche Teil des Feldes ist und der zeitabhängige Teil durch e ^ gegeben ist, . und t die Zeit ist und (ϋ = 2ττ£ ist, wobei f die Frequenz in Hertz darstellt und i die Quadratwurzel aus -1 ist.

Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2) erhält man:

ρ -"ft?/U 6

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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß für Materialien und Frequenzen, bei denen 4nC/(jr viel kleiner als 1 ist, der zweite Ausdruck in der Klammer in Gleichung (4) im Vergleich zu dem ersten Ausdruck in der Klammer vernachlässigt werden kann und daß dementsprechend das Material praktisch als ein dielektrisches Material wirkt. Wenn der gleiche Ausdruck 4 π ö/ίυε viel größer als 1 ist, wirkt das Material als Leiter. Daher wirkt das Material hei hinreichend hohen Frequenzen als ein Dielektrikum, wohingegen das gleiche Material bei niedrigen Frequenzen, einschließlich bei Gleichstrom mit einer gegen Null gehenden Frequenz als Leiter wirkt.

Aus der Theorie des Elektromagnetismus ist bekannt (vgl. J.D. JACKSON, CLASSICAL ELECTRODYNAMICS, 1962, John Wiley & Sons, oder andere Standardwerke), daß an der Grenzschicht zwischen einem Vakuum und einem dielektrischen Material eine mathematische Stetigkeit der Vektorkomponente des elektrischen Feldes, das tangential zu der Oberfläche der Grenzschicht verläuft, bestehen muß und daß ebenfalls mathematische Kontinuität oder Stetigkeit im mathematischen Sinne des Produktes der Vektorkomponente des elektrischen Feldes, das normal zu der Grenzschicht verläuft, und der dielektrischen Konstante des Mediums bestehen muß. Dies bringt mit sich, daß ein leichter Richtungswechsel eines elektrischen Feldes beim Übertritt vom Vakuum in ein Material mit einer Dielektrizitätskonstanten größer als 1 und ferner ein leichter Richtungswechsel beim Austreten aus dem Material in das Vakuum auf der anderen Seite des Materials bestehen muß. Derartige Richtungswechsel sind in »CLASSICAL ELECTRODYNAMICS',' supra, Fig. 4.7, Seite 113 dargestellt. Es gibt ebenfalls eine Verringerung der Feldstärke, die innerhalb des dielektrischen Materials auftritt, und eine entsprechende Erhöhung des Feldes im Vakuum in der Nähe des dielektrischen Materials. Die Anwesenheit eines Stückes aus dielektrischem Material in einem Bereich, der sonst durch Vakuum eingenommen

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würde, erzeugt nur einen geringen Wechsel in der Gestalt und in der Feldstärke relativ zu den Werten, die vorhanden wären, wenn das dielektrische Material nicht an der Stelle wäre. Daher folgt; daß Materialien, die das richtige Verhältnis von Leitfähigkeit zu dielektrischer Konstante für Felder einer vorgegebenen Frequenz aufweisen, bei denen das Material als ein Dielektrikum wirkt, nur leicht die Felder verbiegen im Vergleich zu den Feldern, die vorhanden waren, wenn ein derartiges Material nicht anwesend wäre.

Es ist aus der Theorie des Elektromagnetismus bekannt, daß, wenn Leiter vorhanden sind, elektrische Feldlinien an den Oberflächen von Leitern enden müssen, wobei die Richtung des Feldes senkrecht zu der Grenzschicht zwischen dem leitfähigen Material und dem Vakuum verläuft. Es folgt, daß ein hohles Rohr aus leitfähigem Material, das in ein elektrisches Feld gebracht wird, gegen das elektrische Feld abschirmt, einen feldfreien Raum innerhalb des Rohres liefert und gleichzeitig Felder außerhalb und in der Nähe des Rohres im wesentlichen deformiert. Auf diese Weise deformiert das Anordnen eines Rohres oder eines ähnlich geformten Gegenstandes aus Material, das Elektrizität leitet, wesentlich die Felder und läßt keine Felder innerhalb des Rohres selbst, was in der zu beschreibenden Einrichtung.angewendet wird. Dementsprechend folgt daraus, daß ein Rohr aus Material, das als ein Dielektrikum in bezug auf Wechselfelder wirkt, jedoch als ein Leiter in bezug auf Gleichfelder eines Quadrupol-Massenfilters wirkt, die Wechselfelder minimal deformiert; und die Wechselfelder werden auf diese Weise ohne wesentliche Deformation in dem Inneren des Rohres belassen, wohingegen das Rohr die Gleichfelder aus seinem Inneren völlig verdrängt« Auf diese Weise wird durch ein Rohr oder durch einen Gegenstand mit anderer Gestalt aus einem Material mit der geeigneten Dielektrizitätskonstanten und geeigneter elektrischer Leitfähigkeit die gewünschte räumliche Trennung der Wechselfelder von den Gleichfeldern erreicht, die sonst beide gleichzeitig in den Raum vorhanden wären, wenn das Rohr

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oder der Gegenstand nicht vorhanden wäre.

Typische Guadrupol-Massenfilter verwenden Wechselspannungen mit Frequenzen von etwa 10 Hz (ωin der Größenordnung von

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10 s ), die den Gleichfeldern überlagert sind. Gemäß der Theorie wirken Materialien mit Dielektrizitätskonstanten in der Größenordnung von 10 tatsächlich als Dielektrika, wenn

ihre Leitfähigkeiten wesentlich größer als etwa 10 elektrostatische Einheiten sind. Allgemeiner und üblicher ausgedrückt, wirken Materialien als Dielektrika, wenn ihre spezifischen Widerstände viel höher als etwa 10 Ohm-cm sind. Solche Materialien werden als "verlustbehaftete Dielektrika" bezeichnet und sind in Form bestimmter bekannter Keramiken und Ferritmaterialien erhältlich.

Es wird, nun auf die Figuren 1a, 1b und 1c Bezug genommen. Fig. 1a zeigt die Wirkung, die entsteht, wenn ein reines Dielektrikum in Form eines Rohres 17 an einem Ende des Massenfilters zwischen die Elektroden desselben in ein Quadrupol-Massenfilter geschoben wird, und die Änderung der elektrischen Feldlinien, die dadurch erzeugt wird. Und zwar zeigt Fig. 1a zwei Elektroden 11 und 12, die entsprechend positive bzw. negative Polarität aufweisen und einander benachbart sind. Die mit 14 bezeichneten strichpunktierten Linien zeigen die Feldlinien, wie sie verlaufen wurden, wenn das Rohr 17 aus dielektrischem Material (das im Schnitt dargestellt ist) nicht an seiner Stelle wäre. Die ausgezogenen, mit 15 bezeichneten Linien zeigen die Feldlinien, wie sie in ihrem Verlauf geändert werden, wenn das Rohr 17 aus reinem dielektrischem Material in der dargestellten Stellung auf der Elektrode 18 (die in Schnitt dargestellt ist) angebracht wird. In Wirklichkeit fallen die Feldlinien 14 und 15 praktisch zusammen, abgesehen von einer kleinen Verschiebung durch das Rohr 17* die in der Figur übertrieben dargestellt ist. Daher sind die Linien 14 und 15 aus Gründen der klareren Darstellung getrennt gezeichnet. Der wesentliche Zweck dieser Figur ist es, darzustellen, daß das Rohr aus dielektrischem Mate-

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rial die Feldlinien nur leicht im Vergleich zu ihrem Verlauf, den sie in Abwesenheit des Rohres 17 aus dielektrischem Material besitzen würden, deformiert.

Fig. 1b zeigt die Situation, in der ein Rohr 21 aus einem elektrisch leitfähigem Material anstelle des Rohres 17 aus dielektrischem Material eingesetzt ist. Die strichpunktierten, mit 19 bezeichneten Linien zeigen der Verlauf der Feldlinien für den Fall der Abwesenheit des Rohres, und die ausgezogenen Linien 20 stellen die Feldlinien bei Vorhandensein des leitfähigen Rohres 21 (das im Schnitt dargestellt ist) an seiner Stelle dar, wobei das von dem Massenfilter entfernte Ende des Rohres 21 über eine Elektrode 18 (die im Schnitt dargestellt ist), auf der das Rohr 21 angebracht ist, mit Erde verbunden ist. Diese Figur zeigt die Tatsache, daß die Feldlinien bei einem Rohr 21, das aus leitfähigem Material besteht, \</esentlich stärker deformiert sind als bei dem Rohr 17 aus dielektrischem Material und daß das Rohr Felder aus dem Inneren des Rohres verdrängt. Es soll wieder bemerkt werden, daß die Linien 19 und 20 nur aus Gründen der klareren Darstellung in Fig. 1b getrennt gezeichnet sind. Die Linien 19 gehen nicht durch das Rohr 21 hindurch, und eine leichte Ausbuchtung 16 wird an den Linien 19 erzeugt, die nahe der Öffnung des Rohres 21 liegt und sich in Richtung auf die Öffnung des Rohres 21 zu der Elektrodenanordnung 11 und 12 erstreckt. Sonst fallen die Linien 19 und praktisch zusammen.

Fig. 1c zeigt die Verhältnisse für Randfelder, die Ionen beeinträchtigen, die am Eintrittsende eines Quadrupol-Massenfilters ankommen, und den Massenfilterelektroden 11 und 12 sind sowohl Wechsel- als auch Gleichspannungen aufgeprägt. Wie oben bereits bemerkt, werden die Ausdrücke "Gleichspannung, Gleichfeld, usw." hier so verwendet, daß sie auch niedrige Frequenzen einschließen. Derartige niedrige Frequenzen können möglicherweise bis herauf zu 1000 Hz reichen,

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und die Ausdrücke "Wechselspannung, Wechselfeld, usw." bezeichnen daher Frequenzen, die über denen liegen, die von den Ausdrücken "Gleichspannung, Gleichfeld, usw." in dem beschriebenen Sinne umfaßt werden. Das Rohr 22, das auf der Elektrode 18 (die im Schnitt dargestellt ist) angebracht ist, besteht aus einem geeigneten Material, das als ein Dielektrikum für elektrische Wechselfelder wirkt, wobei diese Wechselfeldlinien als strichpunktierte, mit 24 bezeichnete Linien dargestellt sind, und ebenfalls als ein Leiter für elektrische Gleichfelder wirkt, wobei die Gleichfeldlinien als ausgezogene, mit 25 bezeichnete Linien dargestellt sind. Der Einfluß des Rohres 22 ist es, Gleichfeld-Randfelder innerhalb des Rohres 22 zu verdrängen bzw. auszuschließen und die Gleichfeld-Randfelder im Vergleich zu den Wechselfeld-Randfeldern zu verformen, wobei sich die Wechselfeld-Randfelder weiterhin von dem

Ende des Massenfilters wegerstrecken und in den inneren Bereich des Rohres 22 eintreten. Die Linien 24 und 25 sind in Fig. 1c wie in den Figuren 1a und 1b getrennt dargestellt. Die Feldlinien in Fig. 1c fallen sonst jedoch praktisch zusammen, abgesehen von den Ausnahmen, die im Zusammenhang mit den ersten zwei Figuren für die dort dargestellten Feldlinien angegeben wurden.

Bei der in Fig. 1c gezeigten Anordnung gewährleistet die Tatsache, daß das Material des Rohres 22 für Gleichfelder ein Leiter ist, daß beliebige Ionen,die zufällig das Innere der Wände des Rohres 22 treffen, ihre Ladung durch das Material selbst über die Elektrode 18 an Erde abgeben. Daher wird bei geeigneter Auswahl der Materialien die Einrichtung frei von Aufladung bleiben, die jedes normale dielektrische Material sehr geringer Leitfähigkeit beeinträchtigen würde.

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Es gibt Materialien, die zusätzlich zu ihrer Eigenschaft, geeignete Werte für die Dielektrizitätskonstante und den spezifischen Widerstand zu besitzen, hinreichend hohe magnetische Permeabilitäten aufweisen, so daß sie als magnetische Abschirmungen gegen beliebige magnetische Streufelder wirken, die den Eintritt von Ionen durch das Rohr und in das Massenfilter nachteilig beeinflussen würden. Bestimmte bekannte Ferrite bilden ein Beispiel für derartige Mate- . rialien.

Wie oben dargelegt, wurde das Rohr aus Fig. 1c als ein Rohr aus gleichförmigem homogenem Material beschrieben, das die geeigneten Werte für die Dielektrizitätskonstante, magnetische Permeabilität und elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Rohr kann jedoch aus heterogenen Materialien hergestellt werden, worunter verstanden wird, daß hier gute Dielektrika eingeschlossen sind, die Oberflächenbeschichtungen aus Materialien guter Leitfähigkeit mit Dicken aufweisen, die hinreichend gute elektrische Leitfähigkeit erzeugen, so daß sie als Gleichstromleiter für Gleichfelder wirken und ebenfalls für Ströme, die durch Ionen erzeugt werden, die zufällig das Material treffen, die aber andererseits hinreichend dünn sind (viel dünner als die Skintiefe für Elektrizität mit der Frequenz der Wechselfelder), so daß die Einrichtung als ein dielektrisches Material mit hohem Widerstand für Wechselfelder wirkt. Diese Beschichtung muß auf das Innere des Rohres aufgebracht werden und kann ebenfalls auf die äußere Oberfläche der Rohre aufgebracht werden.

Es können auch andere Geometrien als die in Fig. 1c dargestellte verwendet werden. Eine Abwa-ndlung, durch die ein Rohr 27, das auf einer Elektrode 18 (die im Schnitt dargestellt ist) angebracht ist, völlig außerhalb der Quadrupol-Massenfilterelektrodenancrdnung 11 und 12 vorgesehen ist, ist in Fig. 2 dargestellt*

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Fig. 3 zeigt eine andere Abwandlung, bei der ein Konus oder ein trichterförmiges Teil 29 aus dem verlustbehafteten dielektrischen Material verwendet wird, das auf der Elektrode 18 (die im Schnitt dargestellt ist) angebracht und so angeordnet ist, daß sich die Spitze des Konus in Richtung auf die Elektrodenanordnung 11 und 12 des Quadrupol-Massenfilters oder in diese hinein erstreckt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung, die auf den loneneintrittsbereich eines Quadrupol-Massenfilters angewendet werden kann, bei der ein ringförmiges Teil 41, das aus geeignetem Material besteht, auf der Elektrode 18 angebracht und am Eingangsende der Elektrodenanordnung des Massenfilters angeordnet ist, wobei die inneren Oberflächen des Kreisrings so geformt sind, daß sie den Einschuß von Ionen durch den Kreisring 41 in die Massenfilterelektrodenanordnung 11 und 12 verbessern.

Fig. 5 zeigt noch eine weitere Abwandlung, die auf Quadrupol-Massenfilter angewendet ist, bei der ein einziges Stück aus verlustbehaftetem dielektrischem Material durch zwei oder mehrere (gezeigt sind vier) getrennte Stücke 42 aus geeignetem Material ersetzt ist, und der Zweck liegt darin, daß verhindert wird, daß Ströme, die durch die Felder in einem festen Stück erzeugt werden, zu viel Verlust- oder Dissipationsenergie in dem festen Stück erzeugen. Es besteht jedoch keine Beschränkung auf die spezielle Gestalt der getrennten Stücke aus verlustbehaftetem dielektrischem Material so lange, wie die gewünschte Funktion erhalten wird.

Obgleich Fig. 5 das verlustbehaftete dielektrische Material räumlich von den Enden der Pole 11 und 12 des Quadrupol-Massenfilters getrennt zeigt, wird eine derartige räumliche Trennung nicht als notwendig angesehen, vorausgesetzt, daß der spezifische Widerstand des Materials hinreichend hoch

ist, d.h. etwa 10 Ohm-cm für ein homogenes Material überschreitet. 4098 8 5/0831

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In dem speziellen Beispiel der Anordnung von Fig« Ic ein Hassenf ilter der Anmelderin, EXTRAMJCLHAR LABORATORIES* INC. Mass Filter, Model 162-8, verwendet, das als seine Hauptelektroden-(PoI-)Anordnung einen Satz von vier parallelen Stäben 11 und 12 enthält, die jeweils eine Lsztgi tctl 8" (20 cm) besitzen und einen runden Querschnitt aufweise (etwa 3/8" oder 9,5 mm im Durchmesser) und die alle bc ■--geordnet sind, daß ihre Längsachsen äquidistant είΐί 3iE.Sii Kreis von etwa 11/32^K oder 9 mis Radius angeordnet s zic:_s &- senkrecht auf der Längsachse steht. Das Rohr 22 fees -mail aus Material, das als "Ceramag C/12" bekannt ist (eine " Kohlenstoff-Hickel-Zink-Keramik), hergestellt von Stackpole Carbon Co.» St, Mary^fs, Pennsylvania, VStA. Dieses Kateria1■ das eine Dielektrizitätskonstante von 10 und einen spezifisehen Yoliraenwiderstand von 3*0 χ 10 Ohm-cm aufwies, besaß die Fora eines zylindrischen Rohres von 1/4^lf οάοτ 6_f5 £- äußerem Durchmesser und 1/8^!r oder 3,2 mm innerem I>j.^; Ohmes= ser. Das Rohr 22 wurde in einer Edelstahlendplatte tür das Massenfiltergehäuse angeordnet, und die Endplatte bildete die geerdete Elektrode 18. Der Abstand der Endplatt-? IS v-..„. den Enden der Pole 11 und 12 betrug etwa 0,20" oder- 5 mm. Das Ende des Rohres 22 (das nicht mit der Endplatte IS ve::- bunden war) erstreckte sich auf eine Länge von etiva Q, 1Q* oder 2_t54 mm in die Elektrodenanordnung 11 und 12 des QuadrupoüLs entlang dessen Achse hinein, Wie es in Fig« Ic dargestellt ist· Das spezielle verwendete Material bee:5 ein·" festgestellte magnetische Permeabilität von 35. Ssiier lieferte es eine gewisse Abschirmung gegen magnetische Streufelder von den elektrischen Strömen,die in e±Tz&T lonisationseinrichtung verwendet wurden, die zu dem Geriä gefiör-i 5 und die Ionen durch Elektronenstoßionisation von Qz,? sn erzeugte und gerade außerhalb (und entfernt von der S°r-aü> anordnung 11 und 12) des Massenfilters angeordnet war-o Mi der beschriebenen Anordnung wurde eine sehr wesentlioäe 7sx besserung im Betrieb des Guadrupol-Massenfilters srli Bei Massen von etwa 200 Atommasseneinheiten (amu = al

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mass units)(Quecksilber!onen) zeigte das Massenfilter eine Verbesserung in der Auflösung von etwa 1500 Halbwertsbreite (FYJHM = full-width-half-maximum) ohne das Rohr auf etwa 5000 Halbwertsbreite mit dem Rohr. Die Empfindlichkeit des Gerätes wurde bei Masse 200 um einen Faktor von etwa 100 erhöht. Ohne das Rohr aus Ceramag C/12 betrug die minimale kinetische Energie der Ionen, die bei Einschuß in das Massenfilter zufriedenstellende Signale erzeugte, etwa 9 eV; aber mit dem eingebrachten Rohr konnten starke Signale bei einer kinetischen Energie der Ionen von nur etwa 3,0 eV erhalten werden. Daher vergrößerte das Vorhandensein des Rohres am Eingangsende des Massenfilters Transmission und Auflösung und verringerte die zum Betrieb des Massenfilters erforderliche minimale Ionenenergie. Bei größeren Massen wie z.B. bei dem Dublett in dem Spektrum von Perfluortributylamin bei 614 und 615 Atommasseneinheiten war das Massenfilter ohne die Verwendung des Ceramag-Rohres kaum in der Lage, diese beiden Massenpeaks völlig zu trennen, jedoch war es mit dem eingesetzten Rohr in der Lage, die Peaks vollständig zu trennen bei einem Verhältnis des Abstandes zwischen den Peaks zur Breite des Peaks an ihrem Fuß oder an ihrer Basis von angenähert 5, d.h. eine Auflösung von etwa 6000 Halbwertsbreite wurde erhalten, wobei nur eine Ionenenergie von etwa 4 eV verwendet wurde. Dieser Grad der Auflösung und Empfindlichkeit war niemals vorher in der Massenspektrometertechnik erreicht worden.

Die gleiche allgemeine Anordnung wurde bei vier verschiedenen Massenfiltern der Anmelderin (Extranuclear Laboratories mass filters) angewendet und die gleiche Verbesserung der Ergebnisse konnte wiederholt werden. Die Verwendung von drei verschiedenen Rohren aus dem Ceramag-Material mit den gleichen Abmessungen lieferte ebenfalls Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Das Experiment wurde in größerem Maßstab wiederholt,und es wurde ein Extranuclear Laboratories Mass Filter Model 324-9 verwendet, das kreisrunde Stäbe mit

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3/4» (19 mm) Durchmesser und einer Länge von 9" (23 cm) besaß. Die Längsachsen der Stäbe waren mit gleichen Abständen voneinander auf einem Kreis angeordnet, der senkrecht zu den Achsen lag und einen Radius von etwa 11/16" (17 mm) besaß. Das Ceramag-Rohr wurde durch ein weiteres Rohr aus dem gleichen Material' ersetzt, wobei die Abmessungen näherungsweise verdoppelt wurden. Ss wurde gefunden, daß die Ergebnisse wieder reproduziert werden konnten, und die Ergebnisse zeigten ferner die Trennung des Massendubletts Np und CO, die beide bei der nominellen Masse 28 (amu) mit einem Teilunterschied von näherungsweise einem Teil in 3000 auftreten, und die Trennung der Isotope Hp, D, Dp, He und anderer Atome oder Moleküle in den ersten vier Atommasseneinheiten.

Das Einfügen eines ähnlichen Rohres an dem Ausgangsende des Massenfilters vergrößerte ferner die Transmissions- und Auflösungseigenschaften der Massenfilter, obgleich es schien, daß die Bedingungen am Einschuß des Massenfilters kritischer als die am Ausgangsende des Massenfilters sind.

Bei einer zweiten Konfiguration, nämlich der von Fig. 2, wurde ein Massenfilter mit einem Stabdurciamesser von 3/8" (995 mm) verwendet. Jedoch besaß das Ceramag-Rohr 27 einen äußeren Durchmesser von etwa 1/2" (13 mm), so daß es nicht in die Pole 11 und 12 der Massenfilterelektrodenanordnung eingeschoben werden konnte. Das Rohr 27 mit größerem Durchmesser wurde dicht hinter den Enden der Pole 11 und 12 des Massenfilters angeordnet. Das Vorhandensein des Rohres lieferte eine gewisse Verbesserung in den Charkateristiken des MassenfilterbetrlebSj aber die Verbesserungen waren nicht so hoch wie in dem FaIl₉ wenn das kleinere Rohr 22 verwendet und in den Einschußbereich der Pole 11 und 12 ' eingeschoben wurde, wie es in Fig. 1c gezeigt Ist.

Wie In Fig. 3 dargestellt ist, wurde das Rohr aus Ceramag-Material durch einen Konus oder ein trichterförmiges Teil

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aus dem gleichen Material ersetzt. Das trichterförmige Teil 29 besaß eine Wandstärke von etwa 3/32" (2,5 mm), eine lichte Öffnung von etwa 1/8" (3 mm) Durchmesser und einen Konushalbwinkel von etwa 45°. Das Ende des trichterförmigen Teiles 29 fiel etwa mit dem Ende der Pole 11 und 12 des Massenfilters zusammen. Es wurde gefunden, daß das trichterförmige Teil 29 ebenfalls den Betrieb des Massenfilters verbesserte, aber wieder nicht in dem Ausmaß wie die Anordnung mit dem Rohr 27, die in Fig. 1c gezeigt ist.

Auf der Basis der Ergebnisse mit den Anordnungen, die unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben worden sind, wird die in Fig. 1c dargestellte Anordnung als die bevorzugte Ausführungsform angesehen. Es wird jedoch vorausgesetzt, daß weitere Konfigurationen, Anordnungen und Materialien zu weiteren Verbesserungen führen können. Insbesondere läßt die bisher gewonnene Erfahrung vermuten, daß Materialien mit höheren magnetischen Permeabilitäten und geringeren spezifischen Volumenwiderständen verwendet werden können (wie z.B. Stackpole Carbon Company's Ceramag material No. C/9) ohne zerstörende Wirkungen durch Widerstandsund dielektrische Heizung. Ceramag C/12 wurde eher verwendet als ein Material mit geringerem spezifischem Widerstand, um Probleme durch übermäßige Erhitzung des Materials während der anfänglichen Tests zu vermeiden.

Das Material zum Trennen der elektrischen Felder kann in Formen und Gestalten verwendet werden, die anders sind als die,die dargestellt und beschrieben worden sind. Z.B. kann anstelle eines zylindrischen Rohres 22 ein Rohr mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt verwendet werden. Ferner kann die Form mehr oder weniger der Form oder dem Raum entsprechend dem Einfügen des Rohres zwischen die vier Pole angepaßt werden.

Obgleich das spezielle Gerät, auf das die Verfahren und die Einrichtung, die hier beschrieben worden sind, angewen-

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det wurden, ein Quadrupol-Massenfilter ist, können sie
ebenfalls auf andere Geräte wie z.B. gepulste Leistungseinrichtungen angewendet werden, "bei denen an Elektroden, an die sowohl Gleich- als auch Wechselspannungen gelegt sind, Felder erwünscht sind, die im Raum voneinander getrennt sind.

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Claims

Extranuclear Laboratories, Inc. ReRb/Gu-7S35 Neue_Patentansprüche_

1. Verfahren zum räumlichen Trennen von elektrischen Gleich- und Wechselfeldern,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Material verwendet wird, das für die Wechselfelder im wesentlichen als ein hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder im wesentlichen als ein elektrischer Leiter wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Gleich- und Wechselfelder nahe am Ende eines Quadrupol-Massenfilters befinden,

dadurch gekennzeichnet, daß das als Feldtrenneinrichtung verwendete Material im Bereich der Gleich- und Wechselfelder angebracht wird.

3. Verfahren nach, Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, daß die Feldtrenneinrichtung nahe dem Eintrittsbereich für die Ionen in das Massenfilter angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Feldtrenneinrichtung verwendet wird, die nahe des Austrittsbereiches für die Ionen aus der Polanordnung des Massenfilters angeordnet wird.

5«. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a. d u r c h gekennzeichnet, daß es den Verfahrensschritt des elektrischen Erdens der Feldtrenneinrichtung enthält.

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6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Feldtrenneinrichtung (22, 27, 29, 41, 42) enthält, die so aufgebaut ist, daß sie wenigstens an einem Ende der Pol-anordnung (11, 12) des Massenfilters anbringbar ist, und ein Material enthält, das für die Wechselfelder des Massenfilters im wesentlichen als ein hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder des Massenfilters im wesentlichen als ein elektrischer Leiter wirkt, daß das Material derart geformt ist, daß es eine Öffnung freiläßt, durch die die Ionen entlang eines Weges.hindurchfliegen können, der auf den Weg der Ionen durch das Massenfilter ausgerichtet ist, und daß die Geometrie der Anordnung derart ist, daß sich die Wechselfeld-Randfelder durch sie bei einer gegebenen relativen Feldstärke im Raum -von den Enden des Massenfilters relativ weiter weg erstrecken als die Gleichfeld-Randfelder, wobei diese relative Feldstärke als die Stärke des Feldes an einem gegebenen Punkt, dividiert durch die Stärke des entsprechenden Feldes innerhalb der Massenfilterelektrodenanordnung (11, 12), definiert ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Feldtrenneinrichtung (22, 27, 29, 41, 42) am Einschußbereich der Massenfilterpolanordnung- (11, 12) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichne't, daß die Feldtrenneinrichtung (22, 27, 29* 41, 42) wenigstens' zwei Stücke aus dem genannten Material enthält, die symmetrisch um die Achse des Massenfilters angeordnet sind.

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9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldtrenneinrichtung (22, 27, 29, 41, 42) elektrisch geerdet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldtrenneinrichtung die Form eines Rohres (22, 27) aufweist.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ein aus Material bestehendes Rohr (22, 27, 29, 41, 42) enthält, das wenigstens von einem Ende der Elektroden (11, 12) des Massenfilters entlang dessen Achse und in den Raum zwischen den Elektroden (11, 12) eingeschoben ist, wobei in das Massenfilter eintretende oder das Massenfilter verlassende Ionen durch dieses Rohr hindurchlaufen, daß das von dem Massenfilter entfernt liegende Ende des Rohres elektrisch mit Erde verbunden ist und daß das Material des Rohres derart ist, daß es für die Wechselfelder des Massenfilters im wesentlichen als hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder des Massenfilters im wesentlichen als elektrischer Leiter wirkt.

12. Einrichtung nach Anspruch .11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr durch das Einschußende der Elektroden (11, 12) und weiter in den Raum zwischen den Elektroden (11, 12) des Massenfilters eingeschoben ist. ·

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (22, 27) eine etwa zylindrische Form aufweist.

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14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (29) etwa die Form eines Kegelstumpfes aufweist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das schmalere Ende des Kegelstumpfes (29) ganz nahe an dem einen Ende des Massenfilters liegt.

16. Verfahren oder Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Material homogen ist.

17. Verfahren oder Einrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Ferrit ist.

18. Verfahren oder Einrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Material heterogen ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Material in seinem inneren Bereich versehen ist.

20. Einrichtung nach Anspruch 8, ^! dadurch gekennzeichnet, daß das Material heterogen ist und eine Schicht aus einer elektrisch leitfähigen Substanz enthält,· die relativ zu der Achse angeordnet ist, wobei die Ladungen von irgendwelchen Ionen, die auf diese Materialstücke fallen, über Schaltmittel, die mit der leitfähigen Substanz jedes dieser Stücke verbunden sind, an Erde abgeleitet werden können.

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21. Verfahren oder Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Dielektrizitätskonstante im Bereich zwischen 1 und 50 und einen spezifischen Widerstand von mehr als 10 Ohm-cm aufweist.

22. Verfahren oder Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine magnetische Permeabilität in einem Bereich zwischen 1 und 1000 aufweist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Wechselfeld im Betrieb eine Frequenz über 1 MHz besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Dielektrizitätskonstante im Bereich zwischen 1 und 50 und einen spezifischen Widerstand von

5
mehr als 10 0hm-cm aufweist.

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