DE2538452A1

DE2538452A1 - Verfahren und einrichtung zum raeumlichen trennen von hochfrequenten und niederfrequenten elektrischen feldern und deren anwendung auf randfelder in quadrupol-massenfiltern

Info

Publication number: DE2538452A1
Application number: DE19752538452
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Extrel CMS LLC
Current assignee: Extrel CMS LLC
Priority date: 1974-08-30
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1976-04-08
Also published as: JPS5833660B2; FR2283547B2; JPS5150784A; FR2283547A2; CA1046169A

Description

■Wifcn Reichet

MpL-Ing. W^m ΜώβΙ

6 Frcmkfuii α. Μ. 1

Porkaiiaßö 13

8271

EXTRANUCLEAR LABORATORIES, INC., Pittsburgh, Pennsylvania 15238, V.St.A.

Verfahren und Einrichtung zum räumlichen Trennen von hochfrequenten und niederfrequenten elektrischen Feldern und deren Anwendung auf Randfelder in Guadrupol-Massenfiltern

(Zusatz zu P 24 15 259)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum räumlichen Trennen von hochfrequenten und niederfrequenten elektrischen Feldern und deren Anwendung auf Randfelder in Quadrupol-Massenfiltern. Die Erfindung stellt eine Verbesserung und weitere Ausbildung des Verfahrens und der Einrichtung dar, die in der Patentanmeldung P 24 15 259.8 der Anmelderin offenbart ist.

Ein Beispiel eines Quadrupol-Massenfilters ist in der US-PS 2 939 952 beschrieben. Das in diesem US-Patent beschriebene Filter besteht im wesentlichen aus vier parallelen Elektroden, die symmetrisch und parallel um eine Achse angeordnet sind. Einander gegenüberliegende Stäbe sind elektrisch verbunden. An ein Paar der elektrisch miteinander verbundenen, einander gegenüber angeordneten Elektroden ist eine Gleichspannung U

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und eine Wechselspannung der Amplitude V angelegt. An das andere Paar der elektrisch verbundenen, gegenüberliegenden Elektroden sind identische Spannungen angeordnet, deren Polarität gegenüber der Spannung am ersten Elektrodenpaar jedoch entgegengesetzt ist. Bei geeigneter Wahl der Gleichspannung und der Amplitude der Wechselspannung besitzen die Ionen eines bestimmten Ladungs/Masseverhältnisses eine stabile Bahn und oszillieren so um die Achse, daß sie mit den Elektroden nicht kollidieren; Ionen mit einem vom gegebenen Ladungs/Masseverhältnis abweichenden Ladungs/Masseverhältnis besitzen unstabile Bahnen und treffen auf die Elektroden auf. Werden Ionen längs der Achse der Elektrodenstruktur eingeschossen, so treffen die Ionen mit dem gegebenen Ladungs/Masseverhältnis nicht auf die Elektroden auf und treten an dem entgegengesetzten Ende aus der Elektrodenanordnung aus. Ionen mit einem anderen als dem vorgegebenen Ladungs/Masseverhältnis werden in Querrichtung beschleunigt, so daß sie auf die Elektroden auf treffen und daher nicht aus dem entgegengesetzten Ende der Elektrodenanordnung austreten können. Auf diese Weise arbeitet die Elektrodenanordnung als ein "Massenfilter" für Ionen. Bei derartigen Filtern müssen die in die Elektrodenstruktur des Massenfilters eintretende Ionen durch Streufelder der Nähe und um die Enden der Elektrodenstruktur hindurchlaufen. Außerdem müssen die Ionen durch ein ähnliches Streufeld am gegenüberliegenden Ende der Elektrodenstruktur hindurchlaufen. Es hat sich herausgestellt, daß das Verhältnis der Gleichfeldstärke zur Wechselfeldstärke innerhalb der Streufelder genau so groß ist wie innerhalb der Elektrodenstruktur selbst. Ferner besitzt ein Ion mit dem gegebenen Ladungs-Masseverhältnis, das innerhalb der eigentlichen Elektrodenstruktur eine stabile Bahn besitzt, im Bereich der Streufelder eine unstabile Bahn. Ein Ion, das also innerhalb der eigentlichen Elektrodenstruktur stabil wäre, kann daher aufgrund der unstabilen Bahn im Bereich der

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Streufelder nicht in die eigentliche Elektrodenstruktur gelangen. Durch die Streuung und Reflexion innerhalb der Streufelder wird daher die Transmission von Ionen eines gegebenen Ladungs/Masseverhältnisses unter Umständen erheblich reduziert, Es ist daher erforderlich und -wünschenswert, die Gleich- und Wechselfelder räumlich zu trennen.

Im Hauptpatent P 24 15 259 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum räumlichen Trennen von elektrischen Gleich- und Wechselfeldern angegeben, bei der ein Material Verwendung findet, das für die Wechselfelder im wesentlichen ein hohes Dielektrikum und für die Gleichfelder im wesentlichen einen "' elektrischen Leiter darstellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Einrichtung zum räumlichen Trennen von hochfrequenten und niederfrequenten elektrischen Feldern und deren Anwendung auf Randfelder in Quadrupol-Massefiltern angegeben, bei der eine Schicht aus leitendem Material vorgesehen ist, die hinreichend dünn ausgebildet ist, um bezüglich der hochfrequenten Felder im wesentlichen als dielektrische Schicht und bezüglich der niederfrequenten Felder (einschließlich von Gleichfeldern) im wesentlichen als leitende Schicht zu wirken·

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schemätischen Querschnitt durch ein Quadr pol-Massenfilter, das die Einrichtung zum Trennen der Felder enthält,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils des Quadrupol-Massenfilters mit der Einrichtung zum Trennen der Felder nach

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der Erfindung;

Fig. 3 eine Frontansicht des Quadrupol-Massenfilters nach Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Quadrupol-Massenfilters, das eine weitere Ausbildungsform der Einrichtung zum Trennen der Felder enthält;

Fig. 4a eine der Fig. 4 entsprechende Frontansicht mit einer anderen Ausbildungsform der Einrichtung zum Trennen der Felder; und

Fig. 5 und 6 perspektivischerer Fig. 4 entsprechende Ansichten mit weiteren Ausbildungsformen der Einrichtung zum Trennen der Felder.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, besitzt ein Quadrupol-Massenfilter vier Stabelektroden 12, 13, 14 und 15. Wie Fig. 3 entnehmbar, sind die Stäbe 12 und 14 und ebenso die Stäbe 13 und 15 elektrisch miteinander verbunden. An ein Elektrodenpaar (z.B. 12 und 14) ist eine Gleichspannung U und eine Wechselspannung der Amplitude V angelegt. An das andere Elektrodenpaar (13 und 15) sind identische Spannungen angelegt, die jedoch gegenüber den Spannungen am ersten Elektrodenpaar eine entgegengesetzte Polarität besitzen. In den Zwischenraum zwischen die vier Stäbe 12 bis 15 ist eine dielektrische Röhre 16 gesetzt, die an ihrer inneren Oberfläche eine Beschichtung 17 aus elektrisch leitendem Material besitzt. Der von der Röhre 10 oder den Stäben 11 (Fig. 1) nicht ausgefüllte Raum besitzt eine Vakuumumgebung. Die Endfläche 20 der Röhre 16 ist ebenso elektrisch leitend und ist in elektrischem Kontakt mit einer leitenden Endplatte

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18, die über ein Vorspannpotential V mit Masse verbunden ist. Ionen aus einer Ionenquelle, die der mit dem Bezugszeichen 19 versehenen Bahn folgen, durchlaufen eine Öffnung in der Endplatte 18, laufen längs der Achse der Röhre 16 und treten dann in das Massefilter ein, in dem sie längs dessen Achse weiterlaufen. In den Figuren sind außerdem Feldlinien des elektrischen Gleichfeldes dargestellt, eine typische ist mit 21 bezeichnet, die auf der leitenden Schicht an der inneren Oberfläche 17 der Röhre 16 endet. Die Feldlinien des Wechselfeldes, von denen eine typische mit 22 bezeichnet ist, enden andererseits nicht vollständig auf der leitenden Schicht auf der Innenfläche 17» sondern durchlaufen diese Schicht 17 und sind auch im Innenraum der Röhre 16 vorhanden. Auf diese Weise wird die gewünschte Trennung der Hochfrequenz- und der Niederfrequenzfelder erreicht,

In einer praktischen Ausführungsform bestand die Röhre 16 aus Aluminiumoxid (AIpO^) mit einer Länge von 2,54 cm, mit einem Innendurchmesser von 9,5 mm und einem Außendurchmesser von 12,7 mm. Eine kolloidale Graphitsuspension (das kolloidale Graphit wurde von der Firma Graphite Products Corporation of Brookfield, Ohio, United States of America,unter dem Warenzeichen "Aquadag" bezogen), wurde in Wasser im Verhältnis von etwa 20 : 1 gelöst. Die gelöste Substanz wurde in den Innenraum der Röhre gebracht, leicht mit einem Baumwoll-Wolltuch abgewischt und getrocknet und bildete dadurch eine leitende Schicht 17. Das Ende der Röhre 16 wurde anschließend in die kolloidale Graphitsuspension eingetaucht, es wurde dann durch Trocknen eine dicke Schicht mit der Endfläche 20 ausgebildet. Die so hergestellte Röhre 16 besaß zwischen ihren Enden einen Gesamtwiderstand von 1,7 x 10 Ohm. Eine derartig hergestellte und an der Endplatte 18 eines Quadrupol-rMassenfilters (Extranuclearinodell 324-9) befestigte Röhre, vgl. die Figuren 2 und 3, erwies sich als geeignet, die hochfrequenten und die nieder-

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frequenten elektrischen Streufelder an den Enden des Massenfilters zu trennen.

Der Widerstand zwischen den Enden der Röhre 16 (bzw. zwischen Anfang und Ende) liegt "bevorzugt zwischen 10 und 1D Ohm,

6 8 bevorzugt ist insbesondere der Bereich zwischen 10 und 10

Neben der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Zylinderform lassen sich als Röhre 16 auch andere Formen verwenden. Geeignete Formen stellen z.B. Trichter, wie z.B. Trichter 30 in Fig. 5, dar, wobei die kleinere öffnung des Trichters oder Horns in Richtung auf das Massenfilter zeigt und die Achse des Trichters koaxial mit der Achse des Massenfilters verläuft. Ferner lassen sich z.B. zylindrische Körper mit rechteckigem oder anderem Querschnitt verwenden, vgl. Zylinder 40 in Fig. 6, der der Röhre 16 ähnlich ist.

Weitere Anordnungen bestehen bevorzugt aus mehreren Materialteilen. So besteht z.B. die in Fig. 4 dargestellte Anordnung aus einer Röhre 31, die in Längsrichtung in vier Teile 34, 35, 36 und 37 geschlitzt ist und dann gemäß Fig. 4 angeordnet ist und dazu dient, den hochfrequenten Feldern das Eindringen in den Innenraum zu gestatten, der durch die vier Stücke des geschlitzten Rohres 31 gebildet wird, während die niederfrequenten Felder abgeschirmt werden und am Eindringen in den Innenraum gehindert werden. Bei einer derartigen Anordnung ist es nicht erforderlich, daß die vier Stücke 34, 35, 36 und 37 in Längsrichtung der Röhre geschlitzt sind. Verwendbar sind auch vier Materialstreifen 34a, 35a, 36a und 37a, die zueinander parallel angeordnet sind und einen Kreis tangential berühren, vgl. Fig. 4. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Zwischenraum zwischen den Streifen im Vergleich zur Streifenbreite sehr klein ist, vgl. Fig. 4A, wodurch gleichermaßen

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die Trennung der hochfrequenten Potentiale von dem Gleichfeld und der niederfrequenten Felder bewirkt wird^und die niederfrequenten Felder am Eindringen in die durch die vier Streifen gebildete Innenregion gehindert werden. Die in den Fig. 4 bis dargestellten Ausführungsformen, die Röhren 30, 31»-40 und die Streifenanordnung 34a bis 37a werden alle so hergestellt, wie in Verbindung mit Röhre 16 beschrieben ist, d.h. sie enthalten dielektrisches Material, dessen Innenfläche mit einem elektrisch leitenden Belag versehen ist.

"Weitere Anordnungen von entsprechenden Materialien sind für den Fachmann naheliegend.

Auch die dünne leitende Schicht läßt sich auf andere Weise als durch granuläre Kohlepartikel, vgl. oben, herstellen. Z.B. lassen sich diejenigen Verfahren verwenden, mit denen leitende Schichten auf Glas hergestellt werden, wie z.B. das Aufsprayen von Zinnoxidlösungen oder anderen Verbindungen auf heißes Glas. Ferner sind auch Dotierungsverfahren in entsprechenden Halbleitern verwendbar.

Es läßt sich zeigen, daß die dielektrische Röhre 16, sofern sie genügend dünn ist, oder ihre Dielektrizitätskonstante nicht wesentlich größer als 1 ist, die Felder innerhalb der Röhre nur geringfügig beeinflußt. Sofern jedoch das Material des leitenden Überzugs 17 eine genügend kleine Leitfähigkeit bei hohen Frequenzen besitzt und mechanisch ausreichend fest ist, um das Eigengewicht zu tragen, läßt sich auf dielektrische Röhre 16 ganz verzichten.

Die wesentliche Eigenschaft des die Feldtrennung bewirkenden Materials besteht darin, daß es auf hochfrequente Felder wie ein Dielektrikum und auf niederfrequente Felder (einschließlich Gleichfelder) wie ein Leiter wirkt. Derartige Materialien

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werden als leckende Dielektrika (leaky dielectrics) bezeichnet, im Gegensatz zur guten Dielektrika, die einen spezifischen

12

Widerstand von 10 Ohm.cm und größer "besitzen. Ein Dielektrikum wird dann als "leckend" bezeichnet, wenn dessen Widerstand so groß ist, daß Leckströme fließen. Bei den vier Verwendungszwecken ist das im allgemeinen bei spezifischen Widerständen

5 11

oberhalb 10 Ohm·cm bis unterhalb 10 Ohm«cm der Fall. Die oberen Grenzen des spezifischen Widerstands sind bei Verwendung in einem Quadr pol-Massenfilter in Zusammenhang mit der Ablenkfrequenz (sweep rate) des Filters zu sehen. In praktischen Fällen legt diese Sweep-Frequenz des Massenfilters bei etwa 1000 Hz, in Verbindung mit Quadrupol-Massenfilteroperationen wird dies als eine kleine Frequenz angesehen.

Für derartige Frequenzen soll das verwendete Material theoretisch einen spezifischen Widerstand von etwa 3 x 10 0hm*cm besitzen. Allerdings sind Materialien mit spezifischem Widerstand bis zu

10 0hm«cm praktisch auch bei der maximalen Sweep-Frequenz für Quadrupol-Massenfilter verwendbar.

Die Theorie der Einrichtung wird nun beschrieben, wobei auf Fig. 1 Bezug genommen wird, die einen schematischen Querschnitt durch ein Quadrupol-Massenfilter mit vier Stäben 11 und einer Röhre 10 zur Trennung der Felder (entspricht der Röhre 16 in Fig. 2) darstellt. Es wird dabei angenommen, daß die Elektroden 11 untereinander und mit Potentialquellen eines Wechsel- und eines Gleichspannungspotentials in derselben Weise wie die Röhren 12 bis 15 der Fig. 2 und 3 miteinander verbunden sind. Insbesondere wird angenommen, daß die Potentialdifferenz zwischen einem Paar einander gegenüberliegender Stäbe 11 den Wert 2 (U+Vcosiot) besitzt, so daß Jede dieser beiden Elektroden das Potential U+Vcos tot bezüglich der Masse besitzt, wobei U

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eine Gleichspannung und V die Amplitude einer Wechselspannung mit der Frequenz f ist, wobei ft) = 2 5^f gilt. Die Potentialdifferenz jedes der beiden anderen Stäbe bezüglich Masse ist entsprechend -(U+Vcos n)t).

In einem beliebigen Punkt des Raumes zwischen den vier Stäben herrscht daher das Potential:

Φ(γ,0,Ο = (U + Vcos(üt) ~

^ro

wobei r und θ die Koordinaten eines beliebigen Punktes in dem von den Stäben eingeschlossenen Raum darstellt und r die Entfernung von der Achse des Massenfilters zum nächsten Punkt irgendeines Stäben (vgl. Fig. 1) darstellt. Dieses Feld besitzt sowohl niederfrequente (Gleichfelder) als auch hochfrequente Komponenten.

Es wird angenommen, daß die Röhre 10 aus einem Material mit der elektrischen Leitfähigkeit σ* und einer Dielektrizitätskonstanten €-j besteht.

Gemäß den Maxwell'sehen Gleichungen (vgl. z.B. J.D. Jackson, "Classical Electrodynamics" John Wiley & Sons, 1962, Kapital 4), muß das Potential φ folgender Gleichung

² = O _# (2)

in den drei Regionen: (1) außerhalb der Röhre, (2) in dem Material der Röhre und (3) innerhalb der Röhre genügen. Außerdem verlangen die Kontinuitätsbedingungen an den Oberflächen bei r = a und r = b, daß (1) & und (2) ί-ψ auf beiden Seiten

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der Oberfläche die gleichen Werte besitzen. Eine weitere zusätzliche Bedingung besteht darin, daß bei nahezu unendlichen Entfernungen von der Achse die Felder einen reinpyperbolischen Verlauf besitzen, d.h. die asymptotische Lösung ist gegeben durch

<t>=Ar²cos28 ■ (3) :

Die Lösung dieses Problems in den drei Raumbereichen lautet: r > b (außerhalb der Röhre)

a<r<b (im Röhrenmaterial)

φ = A(liii+JLV + 2CfCL) ζ)C052Ö " (4b) D Dr

r < a (innerhalb der Röhre)

ff

φ = A^r²COsZO₅ (4c)

wobei _D=^_+lf--flZ

Entweder durch Verkleinerung der Röhrenwanddicke bis hin zu einer vernachlässigbaren Dicke (d.h., b = a) oder durch eine Dielektrizitätskonstante des Röhrenmaterials, die den Wert eins besitzt - was mathematisch mit dem Nichtvorhandensein der Röhre äquivalent ist - lautet das Feld in allen drei Regionen:

Φ - A r²cos20 (5) ί

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d.h. es liegt dann ein hyperbolisches Feld vor. Durch die Röhre ist das Feld außerhalb der Röhre gestört, innerhalb der Röhre ist das Feld dagegen rein hyperbolisch, mit einer Stärke, die das 4€j/D-fache derjenigen Stärke beträgt, die ohne Röhre vorhanden wäre.

Der angegebene mathematische Formalismus wird üblicherweise zur Beschreibung von Fällen verwendet, in denen rein dielektrisches Material, d.h. Material mit der Leitfähigkeit 0 vorliegt, wobei dann die Dielektrizitätskonstante mathematisch durch eine rein reelle Zahl gegeben ist. Wie den mit der Berechnung elektromagnetischer Felder vertrauten Fachleute bekannt ist, läßt sich derselbe Formalismus auch auf leitfähige Materialien verwenden, die sowohl eine Dielektrizitätskonstante und eine endliche Leitfähigkeit besitzen, solange zeitlich sinusförmig veränderliche Potentiale vorliegen. Es ist dann lediglich erforderlich, die rein reelle Dielektrizitätskonstante durch eine komplexe Dielektrizitätskonstante

- , - ^TTcr _ , . . . ·
^€C "V¹ ΊΓ " ^C I+ la)

zu ersetzen, wobei i = ^-Ij & ist die Leitfähigkeit, CO stellt die Kreisfrequenz des sinusförmig zeitlich variierenden Potentials dar und _{Q =}

Das Potential innerhalb einer derartig leitenden Röhre läßt sich aus der Gleichung (4c) ableiten als:

■* = A ψ+y ,rWe (₇₎ .

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Aus Bequemlichkeitsgründen wird Gleichung (7) folgendermaßen geschrieben:

-ür^zm2Q (8)

Das Verhältnis B/A gibt den Quotienten aus Potential innerhalb der Röhre zur Amplitude desjenigen Potentials wieder, das an derselben Stelle ohne Röhre vorhanden wäre. Aus den Gleichun gen (7) und (8) folgt diese interessierende Größe als:

_B/A=—

C+1 + i) j^1 p . (9)

In der vorliegenden Anmeldung wird die "dünne Wand Approximation" verwendet, bei der a nur geringfügig kleiner als b ist. Bei der Bezeichnung T = b - a für die Wanddicke besteht die "dünne Wand Approximation" darin, daß T/b^i/^oder £^T/b <iC1.

In mathematisch konventioneller Weise läßt sich zeigen, daß unter diesen Bedingungen und für £^1 die Gleichung (9) sich

auf

^A ι j.· T 2

ι +la- e-r-a* tb

(ίο;

reduziert. Im Rahmen dieser Näherung ist, sofern B/A = 1. Sofern a&*1istB/A immer noch nahezu 1, da der dritte Term im Nenner vernachlässigbar klein ist. Unter der Voraussetzung, daß a"^1, geht Gleichung (9) über in:

I- g - 1

A " _{a + ic}I_a2 " ] + \_€l
^etb ^a ^€tb^a

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W ι*--¹ ^

Die tatsächlich interessierende Größe stellt in diesem Fall das Verhältnis der Absolutwerte von B zu A dar, das dadurch, erhaltbar ist, daß die Quadratwurzel aus den Produkt von B/A mit dessen komplexkonjugiertem Wert gebildet wird. Dieses Verhältnis der Absolutwerte lautet:

IBi

|ΑΓ/7+(₆Ια)^{2 (12)}

€
t b

Damit das Potential innerhalb der Röhre einen wesentlichen Bruchteil größer als dasjenige Potential ist, das bei nichtvorhandener Röhre vorhanden wäre, lautet die Bedingung:

oder

T < 1 _Ji_-l

T-"^= W-2er C13)

Diese Bedingung stellt das Entwurfskriterium für eine röhrenförmige Feldtrenneinrichtung mit dünnen Wanden dar. Es sei darauf hingewiesen, daß metallische Leiter Leitfähigkeiten

17 —1

in den hier verwendeten Größen von etwa 10 see besitzen. Für ein zeitvariables Potential der Frequenz f von 10 Hz bedeutet die Erfüllung der Gleichung (13), daß die Wanddicke etwa das 5x10"^-fach« des Radiusses zur Wand betragen muS· Für Röhr er? m?t exi- -·ιι Radius in der Größenordnung von 1 cm oder weniger, ti"f~~ lie "anddicke des Leiters kleiner als ein Tausendstel ^- ·. i— j,.z θΙγ άβ Αΐοκ^ "betragen, es ist „ah

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klar, daß gewöhnliche feste leitende Materialien für die Trennung von hochfrequenten und niederfrequenten Feldern nicht verwendet werden können. Dagegen lassen sich dünne Schichten von leitenden und halbleitenden Materialien verwenden, sofern diese nicht fest sind; so kann z.B. eine Schicht aus Material, das aus festen Partikeln besteht, die gerade elektrischen Kontakt miteinander machen, genügen. Um die praktischen Erfordernisse in einem derartigen Fall zu berechnen, ist es sinnvoll, das Konzept der Oberflächenleitfähigkeit zu verwenden. Die Oberflächenleitfähigkeit s hängt mit der Volumenleitfähigkeit C*durch folgende Gleichung

S-o-1 (!4)

zusammen. Wird Gleichung (14) in Gleichung (13) eingesetzt und von den egs-Einheiten in praktische Einheiten umgesetzt, so lautet die zu erfüllende Forderung, bei der elektrische Felder von Gleichpotentialen abgeschirmt werden, während Felder von Wechselspannungen mit der Frequenz f teilweise durchdringen, folgendermaßen:

\2
FL (ohn/GuadrsJj = .' (15)

Für Felder mit einer Frequenz von 10 Hz und für eine Röhre mit einem Radius von 0,5 era liegt daher der gewünschte spezifische Oberflächenwiderstand in der Größenordnung von 4 χ Ohm/Quadrat. Derartige spezifische Oberflächenwiderstände lassen sich auf dielektrischen Substraten in der Art und Weise erzeugen, wie in Verbindung mit den Fig. 2 bis 6 beschrieben wurde.

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Es wird darauf hingewiesen, daß, wenn eine derartige Oberfläche im Inneren einer dielektrischen Röhre erzeugt wird, der spezifische Oberflächenwiderstand gemessen werden muß. Dies läßt sich leicht durch Messung des Widerstandes R bewerkstelligen, der über die Länge der Röhre gegeben ist. Der gesamte Widerstand wird gegeben durch:

R = R, ^ (16)

L ■ ■

wobei L die Länge der Röhre darstellt. Bei einer Röhre mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand R= 4 χ 10 Ohm/Quadrat, einem Radius von 0,5 cm und einer Länge von 2 cm beträgt der gesamte Widerstand etwa 5 x 10 Ohm. Durch eine einfache Messung des Widerstands einer Röhre mit einer inneren Oberflächenbeschichtung läßt sich auf diese Weise einfach bestimmen, ob die Röhre in der Lage ist, niederfrequente und hochfrequente Felder gemäß der angegebenen Theorie zu trennen.

Die dünne Schicht aus leitendem Material soll nicht nur dünn sondern auch gleichmäßig und richtig verteilt sein, um ihre Aufgabe korrekt erfüllen zu können. Sofern die Schicht auf dem dielektrischen Stützkörper (Röhre) 16 aufgebracht ist, kann sie bevorzugt auf der inneren oder auch auf der äußeren oberfläche der dielektrischen Röhre angeordnet sein.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum räumlichen Trennen von hochfrequenten und niederfrequenten elektrischen Streufeldern an den Enden eines Quadrupol-Massenfilters, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus leitendem Material verwendet wird, die hinreichend dünn ist, um auf die hochfrequenten Felder im wesentlichen als Dielektrikum und auf die niederfrequenten Felder (einschließlich Gleichfelder) im wesentlichen als Leiter zu wirken.

Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einen Trägerkörper aufgebracht ist, der aus hochwertigem dielektrischen Material hergestellt ist.

Verfahren nach Anspruchi oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Schicht aus teilchenförmigen! leitenden Material enthält.

Einrichtung zum räumlichen Trennen von hochfrequenten und niederfrequenten elektrischen Feldern an den Rändern eines Quadrupöl-Massenfilters, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus Material ausgebildet ist, das bezüglich der hochfrequenten Felder im wesentlichen ein Dielektrikum und bezüglich der niederfrequenten Felder (einschließlich von Gleichfeldern) im wesentlichen einen elektrischen Leiter darstellt,

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daß die Einrichtung (10; 16, 17, 18; 34 bis 37; 34a bis 37a; 40) zum Trennen der Felder einen Bereich definiert, der durch das spezielle Material (17) abgegrenzt ist, und sich zwischen einem Eintrittsund einem Austrittsbereich derjenigen Region erstreckt, in die Ionen von einer Ionenquelle hinein- und hindurchlaufen, daß das Material eine Schicht (17) aus leitendem Material enthält, die hinreichend dünn ist, um gegenüber den hochfrequenten Feldern im wesentlichen als Dielektrikum und gegenüber den niederfrequenten Feldern (einschließlich Gleichfeldern) im wesentlichen als elektrischer Leiter zu wirken.

Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17, 20) auf einem Tragkörper (16) aus hochwertigem Dielektrikum angeordnet ist, und daß sich der Tragkörper (16) außen um die Schicht (17) herum erstreckt.

Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17, 20) eine Schicht aus teilchenförmigem leitenden Material darstellt.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere getrennte Stücke (34 bis 37; 34a bis 37a) des genannten Materials in geringem Abstand zueinander angeordnet sind und den Anfangs- bzw. Endbereich des Quadrupol-Massenfilters bilden.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß vier Stücke (34 bis 37;34a bis 37a) parallel zueinander zwischen dem Eintritt und dem Austritt des genannten Bereiches verlaufen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die vier Stücke (34a bis 37a) eben und gegeneinander so angeordnet sind, daß der von diesen Stücken eingeschlossene Bereich einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt.

10. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stücke (34 bis 37) gekrümmt sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung als Röhre ausgebildet ist, und daß der von der Trenneinrichtung eingeschlossene Bereich zwischen seinem Eingang und Ausgang röhrenförmigen Querschnitt besitzt.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre im wesentlichen zylinderförraig ausgebildet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes (Fig. 5) besitzt.

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14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17) einen spezifischen Volumenwider-

5 11

stand zwischen 10 0hm*cm und 10 0hm;cm "besitzt.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 his 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17) einen Widerstand zwischen Eingang und Ausgang des von dieser Schicht eingeschlossenen.

Bereic]
liegt.

5 11 Bereiches besitzt, der zwischen 10 bis 10 Ohm

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Schicht im Bereich von bis 10⁸ Ohm liegt.

17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 16,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17) Kohle enthält.

18. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Bereich der Einrichtung mit seinem Eingang bis zu seinem Ausgang längs einer symmetrisch zwischen den Polen (12 bis 15) des Massenfilters angeordnet ist, und daß die Einrichtung vom Endbereich der Elektroden (Pole) des Massen-

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filters bis außerhalb der Elektroden (Pole) angeordnet ist.

19. Einrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Injektion und/oder Transmission von Ionen, die durch ein Quadrupol-Massenfilter hindurchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (10; 16; 34 bis 37; 34a bis 37a; 40) zum Trennen von Feldern symmetrisch zur Achse des Massenfilters angeordnet ist und einen Bereich definiert, längs dessen die durch das Massenfilter, laufende Ionen hindurchlaufen, daß die Einrichtung (10; 16; 34 bis 37; 34a bis 37a; 40) zum Trennen der Felder aus einem Material aufgebaut ist, das ein hochwertiges Dielektrikum (16) und eine dünne Schicht (17) aus elektrisch leitendem Material enthält, daß die Schicht (17) hinreichend dünn ausgebildet ist und für die niederfrequenten Streufelder (einschließlich Gleichstreufelder) des Massenfilters im wesentlichen einen elektrischen Leiter, für die hochfrequenten Streufelder dagegen ein hochwertiges Dielektrikum darstellt, wobei die Schicht (17) die hochfrequenten Felder des Massenfilters bei einer gegebenen relativen Feldstärke relativ weiter weg von mindestens einem Ende des Massenfilters als die niederfrequenten Streufelder (einschließlich Gleichfelder) hält, wobei die relative elektrische Feldstärke definiert ist als Quotient der Stärke des elektrischen Feldes an einer Stelle durch die Stärke des entsprechenden elektrischen Feldes innerhalb der Elektrodenstruktur des Massenfilters.

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20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Trennen der Felder eine röhrenförmige Gestalt besitzt, und daß die dünne Materialschicht (17) auf der inneren Oberfläche der Röhrenwand angeordnet ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (17) aus einem teilchenförmigen Material besteht.

22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 21,

dadurch gekennzeichnet, daß dasjenige Ende des von der dünnen Schicht (17) eingeschlossenen Bereiches, das von dem Quadrupol-Massenfilter weg weist, mit einem vorgegebenen elektrischen Potential verbunden ist.

Rei/Rb/Pi.

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