DE3784138T2

DE3784138T2 - Quarz-quadrupol fuer massenfilter.

Info

Publication number: DE3784138T2
Application number: DE19873784138
Authority: DE
Inventors: Carolyn Broadbent; John Fjeldsted; Stuart Hansen
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1986-11-19
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2007-10-03
Also published as: JPS63152846A; DE3784138D1; EP0268048A3; EP0268048B1; JP2585030B2; EP0268048A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Quadrupolmassenfilter- Elektrodenanordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Anordnung.
Massenfilter sind Geräte zum Analysieren der chemischen Zusammensetzung von Stoffen, zum Beispiel durch den Einsatz von elektrischen Feldern zum Trennen von ionisierten Teilchen aufgrund ihres Verhältnisses von Masse zu Ladung. Eine hohe Filterauflösung wurde mit Hilfe von Quadrupolmassenfiltern erzielt, die vier parallele längliche Elektroden enthalten, die im Querschnitt näherungsweise hyperbolische Kurven in entsprechenden Quadranten bezüglich eines gemeinsamen Ursprungs darstellen. Paare von einander gegenüberliegenden Elektroden sind elektrisch verbunden.
Ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HFLV) wird typischerweise verwendet, um beide Elektrodenpaare zu betreiben. Ein Paar wird mit einem bestimmten Hochfrequenz(HF)-Signal betrieben, das zu einem positiven Gleichstrom(DC)-Potential addiert ist. Das andere Elektrodenpaar wird mit einem HF-Signal betrieben, das um 180º außer Phase mit dem Signal ist, das an das erste Paar angelegt wird, und das zu einem negativen Gleichstrompotential addiert ist.
Das HF-Feld dominiert die Bewegung von relativ leichten Ionen, indem es sie aus dem funktionellen Zentralbereich des Quadrupolfilters auslenkt. Das Gleichstromfeld dominiert die relativ schweren Ionen, die von einer der Elektroden mit entgegengesetzter Leitfähigkeit allmählich angezogen und absorbiert werden. Ionen mit einem entsprechenden Gewicht dazwischen können eine im allgemeinen longitudinale Trajektorie durch den Quadrupol aufgrund von einander entgegenwirkenden Hochfrequenz- und Gleichstromeffekten durchlaufen.
Dementsprechend kann durch eine geeignete Wahl der Hochfrequenzund Gleichstromanteile des Felds innerhalb der Quadrupolanordnung jede Masse innerhalb des Arbeitssbereichs der Einheit zur Detektion und Messung gewählt werden. So kann eine einzige Einstellung in einem Einzelionenmessungs (SIM)-Modus verwendet werden. Im Gegensatz dazu werden bei einem Scan-Modus die Hochfrequenz- und Gleichstromanteile in einer geeignet koordinierten Weise durchgefahren, um das Anteilspektrum der Molekülarten in einer Probe zu erhalten.
Der theoretisch ideale Querschnitt für die vier Elektroden eines Quadrupolmassenfilters besteht aus vier hyperbolischen Kurven, die sich in ihren entsprechenden Quadranten bis unendlich erstrecken. Im allgemeinen werden nur die hyperbolischen Kurven in der Nähe des Ursprungs approximiert. Diese Kurven werden typischerweise realisiert, indem die entsprechenden Profile aus festen Metallstäben, zum Beispiel aus Molybdän oder rostfreiem Stahl, geschliffen werden. Die gewünschte relative Anordnung der vier geschliffenen Stäbe wird dann zum Beispiel durch Fassungen aus Keramik oder einem anderen starren, nicht leitenden Material aufrechterhalten.
Diese Vierstab-Realisierung eines Quadrupolfilters hat jedoch mehrere Nachteile, zum Beispiel Kosten, Gewicht, Volumen und die Anfälligkeit für Fehlausrichtungen. Das Schleifen von identischen hyperbolischen Oberflächen bei vier Molybdänstäben mit mehreren Zentimeter Länge ist sowohl hinsichtlich der Zeit als auch des Materials aufwendig. Weiterhin ist nur die hyperbolische Oberfläche elektrisch von Nutzen. Der Volumenbereich der Stäbe hat nur eine beschränkte Funktion, wie das Gewährleisten von Steifheit. Wenn die vier Stäbe in den keramischen Fassungen gestaucht werden, kann leicht eine Fehlausrichtung auftreten. Diese Fehlausrichtung kann außerdem mit dem bloßen Auge nicht feststellbar sein und trotzdem in unvorhersehbarer Weise Massenmessungen verzerren.
Ein Zugang, um einige dieser Probleme zu beheben, bestand darin, Quadrupolstäbe in einem quadratischen röhrenförmigen Glasrahmen einzuschließen. Die individuellen Stäbe sind an den Rahmen angepaßt, was eine geringere Masse und ein geringeres Volumen zur Folge hat. Der Glasrahmen hat auch die Funktion, Steifheit zu gewährleisten, wenn Kräfte angelegt werden. Es ist jedoch nicht klar, in welchem Ausmaß die geringfügigen theoretischen Vorteile dieses Zugangs sich auf die Praxis übertragen. Weiterhin sind immer noch zusätzliche Verbesserungen hinsichtlich des Gewichts, der Größe und der Zuverlässigkeit nötig. Schließlich treten keine wesentlichen Kostenersparnisse bei diesem Zugang auf.
Eine dramatischere Alternative, die in Betracht gezogen wird, ist die Verwendung von Glas-Quadrupolen. Ein solcher Quadrupol ist in US-A-3 328 146 offenbart. Die Struktur einer Elektrodenanordnung wird durch eine geeignet geformte Glasröhre gewährleistet, die als Substrat für den Quadrupol dient. Die gewünschte hyperbolische Form der Elektroden kann erreicht werden, indem dünne Metallstreifen an die hyperbolischen Flächen auf der Innenfläche einer Glasröhre angepaßt werden.
Dieser Zugang ermöglicht eine wesentlich geringere Größe und ein wesentlich geringeres Gewicht aufgrund der Ersetzung der Stäbe bei den vorangehend genannten Zugängen durch Glas und dünne Metallstreifen. Die Kosten und der Arbeitsaufwand werden stark reduziert, da man Glas billig erhalten kann und es durch Vakuumformen über einem Formkern geformt werden kann. Die Kosten und die Zeit, die mit den Schleifen der Metallstäbe verbunden ist, werden auf das Maß reduziert, das nötig ist, um einen wiederverwendbaren Formkern zu bilden, was mit vier Quadrupolen pro Massenfilter zu vergleichen ist.
Glas ist tendenziell weniger empfänglich für kleine inelastische Deformationen als Quadrupolmetalle, so daß im allgemeinen gültige Messungen erzielt werden können, außer wenn die strukturelle Unversehrtheit des Glases zerstört wird. Eine Beschädigung eines Glas-Quadrupols kann leichter visuell festgestellt werden als eine Beschädigung eines Metall-Quadrupols. Dementsprechend ist die Wahrscheinlichkeit geringer, daß ein beschädigter Glas-Quadrupol unter dem Eindruck betrieben wird, er produziere gültige Messungen.
Während das Konzept eines Glas-Quadrupols auf einige wesentliche Vorteile hinweist, hat die Umsetzung in die Praxis einen mühsamen Weg genommen. Während der Metall-Quadrupolmassenfilter die Annehmlichkeit einer weitreichenden kommerziellen Entwicklung genoß, muß der Glas-Quadrupol von Anfang an mit einer ausgereiften Technologie konkurrieren. Die Jahre der Rückkopplung zum Kunden und die daraus entstehenden Anpassungen und Feineinstellungen werden notwendigerweise bei der Entwicklung eines Glas- Quadrupolmassenfilters komprimiert.
Der Glas-Quadrupol führt sowohl neue Geometrien als auch neue Materialien ein. Während zum Beispiel sowohl Metall- als auch Glas-Quadrupole einen hyperbolischen Querschnitt mit vier Kurven approximieren, die sich asymptotisch im Unendlichen gedachten x- und y-Achsen annähern, unterscheiden sich die Approximationen voneinander. Im Fall von Metall-Quadrupolen umfaßt der Querschnitt vier isolierte geschlossene Kurven, eine für jeden Stab. Beim Glas-Quadrupol umfaßt die fundamentale Form abgeschnittene Hyperbeln, die miteinander verbunden statt voneinander getrennt sind.
Der ideale hyperbolische Querschnitt ist so festgelegt, daß ein vorbestimmtes ideales elektrisches Feld in einem zylindrischen Bereich um eine Achse erzeugt wird, die sich orthogonal durch einen Ursprung, der die Hyperbeln definiert, erstreckt. Die Approximationen sowohl für den Metall- als auch den Glas-Quadrupol weichen von den Idealfall ab, so daß "Nichtidealitäten" in diesem Bereich erzeugt werden, die einer vollständigen mathematischen Beschreibung nicht leicht zugänglich sind. Über Jahre der Entwicklung sind die Nichtidealitäten des elektrischen Felds, die durch die nichtidealen Eigenschaften der Metall-Quadrupole erzeugt werden, durch umfassendes Experimentieren minimiert worden.
Daher ist es notwendig, die die Leistung beeinträchtigenden Besonderheiten der neuen Materialien und Geometrien, die im Zusammenhang mit Glas-Quadrupolmassenfiltern eingeführt wurden, zu identifizieren, zu integrieren und/oder zu kompensieren. Daher ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quadrupolmassenfilter-Elektrodenanordnung zu schaffen, welche die Vorteile eines solchen Filters hinsichtlich der Größe, dem Volumen und der Zuverlässigkeit gewährleistet, ohne daß die Leistungsfähigkeit von ausgereiften Metall-Quadrupolmassenfiltern geopfert wird. Gleichzeitig ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Quadrupolmassenfilter-Elektrodenanordnung zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
Das Streben nach der vorliegenden Erfindung beinhaltete die Identifizierung von möglichen und tatsächlichen leistungsbegrenzenden Phänomenen, die Glas-Quadrupolmassenfilter betreffen. Die identifizierten Phänomene umfassen sowohl elektrische als auch thermische Effekte.
Insbesondere wurde entdeckt, daß die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt ist, wenn bei manchen Versionen von Glas-Quadrupolmassenfiltern eine niedrige Masseneinstellung nach einer hohen Masseneinstellung eingestellt wird. Bei solchen Filtern können mehrere Minuten erforderlich sein, bevor eine genaue Messung für niedrige Massen möglich ist. Dies wird als ein elektrisches Phänomen angesehen, wobei man annimmt, daß eine Ladungsakkumulation, die während der hohen Masseneinstellung erzeugt wurde, Messungen bei niedriger Masseneinstellung stört oder überdeckt.
Diese Ladungsakkumulation ist im Zusammenhang mit Massenfiltern, die auf kleine Massenbereiche oder auf einen Einzelionenmessungs (SIM)-Modus beschränkt sind, weniger problematisch. Bei einem Hochleistungs-Massenfilter, der in der Lage ist, im Scan-Modus bis zu 800 amu und darüber hinaus zu arbeiten, müssen jedoch Feldverzerrungen, die durch eine solche Ladungsakkumulation erzeugt werden, verhindert oder ihre Auswirkungen auf andere Weise minimiert werden.
Die thermischen Effekte beinhalten verzerrte Messungen aufgrund von geometrischen Verzerrungen in einem Quadrupol, die durch thermische Ausdehung erzeugt werden, und den Qualitätsverlust eines Glassubstrats aufgrund von kummulativen Belastungen während der Herstellung und des Betriebs des Quadrupols. Die thermischen Effekte können mit elektrischen Effekten derart zusammenhängen, daß Wärme erzeugt wird, wenn HF-Energie in dem Glas verloren geht, insbesondere bei hohen Masseneinstellungen. Daher steht fest, daß ein Glasquadrupol, der für Hochleistungs-Massenfilter, z.B. mit Bereichen bis zu 800 amu und darüber, vorgesehen ist, die Herausforderungen bewältigen muß, die sich aufgrund dieser elektrischen und thermischen Effekte stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Quadrupolmassenfilter-Elektrodenanordnung mit einem Quarzsubstrat mit leitenden Streifen, die auf länglich konkaven Abschnitten des Substrats angeordnet sind, geschaffen. Ein Material mit niedriger Leitfähigkeit, wie ein Metalloxid, wird zwischen den leitenden Streifen angebracht, um Feldverzerrungen aufgrund von Ladungsakkumulation zu minimieren.
Quarz wird in diesem Zusammenhang als Glas mit mindestens ungefähr 90% Siliciumdioxid definiert. Beispiele von Quarzarten umfassen Quarzglas und Titansilikat aus 93% Siliciumdioxid und 7% Titanoxid. Diese Materialien zeichnen sich durch Verlustfaktoren von weniger als 0,2%, eine thermische Ausdehnung von weniger als 10&supmin;&sup6; cm/cm/ºC und eine Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung vom mehr als 100ºC aus. Diese Kombination von Werten ist für Hochleistungs-Massenfilter gut geeignet, die im Bereich bis zu 800 amu und darüber arbeiten.
Quarz wird regelmäßig bei Anwendungen vermieden, die eine ultrahochgenaue Bildung einer komplexen Form erfordern. Dieses Vermeiden liegt hauptsächlich an der Schwierigkeit, die hitzebeständigen Materialien zu bearbeiten, die benötigt werden, um den für die Formung von Quarz erforderlichen hohen Temperaturen zu widerstehen. Bei weniger anspruchsvollen Anwendungen wurde Quarz mit Hilfe von Molybdän-Formkernen geformt, die spitzenlos mit hoher Präzision geschliffen wurden. Wolframdraht wird typischerweise verwendet, wenn eine sehr kleine Zentralbohrung erforderlich ist.
Wolfram und Molybdän sind wesentlich weniger gut zu bearbeiten als die Materialien, die für das Formen von weicheren Gläsern verfügbar sind, wie rostfreier Stahl und Nickel. Zusätzlich, wiederum wegen der für Quarz erforderlichen hohen Temperaturen, sind thermische Endeffekte stärker ausgeprägt und erfordern einen längeren und daher schwieriger herzustellenden Formkern. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde jedoch nachgewiesen, daß ein geeigneter Formkern aus einem hitzebeständigen Metall so gespant, geschliffen und poliert werden kann, daß seine äußeren Abmessungen genau den entsprechenden inneren Abmessungen eines Quarzsubstrats entsprechen, wobei thermische Ausdehnungseffekte während der Bildung entsprechend berücksichtigt werden. Dementsprechend können eine Quarzröhre über einen solchen Formkern geformt und die leitenden Streifen und die Streifen mit niederer Leitfähigkeit angebracht werden.
Die Schritte des Bildens des Substrats, des Bildens der leitenden Streifen und des Bildens der Streifen mit niederer Leitfähigkeit können in jeder Reihenfolge durchgeführt werden. Bei einem exemplarischen Verfahren wird ein Substrat über einem hitzebeständigen Metallformkern vakuumgeformt. Dann wird ein Silber- und Glas-Schmelzband auf die länglichen konkaven inneren Oberflächen des Substrats aufgebracht und die Anordnung wird erhitzt, um das Glas in dem Band mit der angrenzenden Substratoberfläche zu verschmelzen. Eine Metalloxid-Aufschlämmung, die vorzugsweise einen Haftvermittler enthält, wird auf die Bereiche der inneren Oberfläche vorzugsweise zwischen den leitenden Streifen aufgebracht, so daß sie die Kanten der leitenden Streifen überlappt.
Die Anordnung wird noch einmal erhitzt, um das Material mit niedriger Leitfähigkeit zu verbinden und zu verfestigen.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die vorteilhaften thermischen Eigenschaften eine größere Toleranz bei der Auswahl und Verwendung der leitenden Streifen und der zugehörigen Materialien gestatten. Hochtemperaturvorgänge, die weichere Gläser beschädigen könnten, können ohne die Gefahr einer Qualitätsminderung des Substrats verendet werden. Während die geringen Verlustfaktoren von Quarzen die im Betrieb erzeugte Wärme minimieren, gewährleisten die hervorragenden thermischen Eigenschaften, daß die Auswirkungen jeglicher erzeugter Wärme minimiert werden. Schließlich können Feldverzerrungen aufgrund von Ladungsakkumulation, teilweise ein Ergebnis des erweiterten Massenbereichs, der durch die vorliegende Erfindung möglich gemacht wurde, durch die Verwendung der Streifen mit niedriger Leitfähigkeit in den Brückenabschnitten zwischen leitenden Streifen abgeschwächt werden.
Dementsprechend werden ein Quarzquadrupol und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorgestellt. Zusätzlich zu seinen Vorteilen gegenüber anderen Glasquadrupolen bietet der Quarzquadrupol die Leistungsfähigkeit von Metall-Quadrupolmassenfiltern, während bei ihm geringere Herstellungskosten möglich sind. Insbesondere ist der Quarzquadrupol wegen der geringeren Materialkosten und der geringeren hinzukommenden Arbeitskosten billiger als ein konventioneller Molybdän-Quadrupol. Zusätzlich ist der resultierende Filter leichter, kleiner und zuverlässiger als konventionelle Quadrupolmassenfilter. Der Quarzquadrupol reagiert weniger empfindlich auf Handhabung und ermöglicht in dieser Hinsicht eine besser vorhersagbare Leistung. Die geringere Empfindlichkeit bei der Handhabung gestattet eine einfachere Ersetzung, da Quarzblöcke leichter verschifft werden können und während der Verschiffung weniger anfällig für Beschädigungen sind. Außerdem erfordern Quarzquadrupole keine aufwendige äußere Halterung wie Keramikringe. Weitere Merkmale und Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den folgenden Figuren hervor.
Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Quadrupols für einen Massenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 der Figur 1;
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Formkerns, der bei einem Verfahren zur Herstellung eines Quadrupols gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Quadrupol 11 (Elektrodenanordnung) für einen Massenfilter ein Quarzsubstrat 13, vier leitende Streifen 15 und vier Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Das Quarzsübstrat 13 bildet die Grundform und gewährleistet eine strukturelle Steifheit des Quadrupols 11. Die leitenden Streifen 15 dienen als die vier Elektroden, über die elektrische Felder im Inneren des Quadrupols 11 erzeugt werden. Die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 sind vorgesehen, um Nichtidealitäten in dem gewünschten elektrischen Feld zu minimieren, die zum Beispiel durch Abweichungen von der idealen hyperbolischen Geometrie bei der inneren Oberfläche des Quadrupols erzeugt werden.
Die leitenden Streifen 15 sind entlang von konkaven hyperbolischen Abschnitten 19 angeordnet, während die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 entlang von dazwischenliegenden Spitzen 21 angeordnet sind. Vorzugsweise überlappen die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 die angrenzenden, sich in Längsrichtung erstreckenden Kanten 23 der leitenden Streifen 15.
Wenn der Quadrupol 11 in ein komplettes Quadrupolmassenfiltersystem eingebaut ist. befinden sich eine Ionenquelle und ein Ionendetektor an einander entgegengesetzten Öffnungen 25 und 27 des Quarzsubstrats 13. Die leitenden Streifen 15 können mit HFLV- und Gleichstromanschlüssen in einander gegenüberliegenden Paaren verbunden werden, um die oszillierenden elektrischen Felder zu bilden, die die filternde Wirkung auf Ionen ausüben, die sich auf im allgemeinen axialen Trajektorien durch das Innere des Quadrupols 11 befinden.
Das Material des Substrats ist so gewählt, daß die thermischen und elektrischen Effekte, die die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen, insbesondere bei Masseneinstellungen von 800 amu und darüber minimiert werden. Die Parameter von Interesse sind der Verlustfaktor, die Volumenwiderstandsfähigkeit, die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannungen und der thermische Ausdehnungskoeffizient.
Der Verlustfaktor ist das Produkt der dielektrischen Konstante und des Leistungsfaktors (Tangens des Verlustwinkels) eines Materials. Die dielektrische Konstante bestimmt die gespeicherte elektrische Energie in einem polarisierten Dielektrikum. Der Verlusttangens ist der Prozentsatz an Energie, der irreversibel in Form von Wärme aufgrund der Bewegung von Dipolen in einem HF- Feld verlorengeht. Allgemein geht ein höherer Prozentsatz an Energie zugunsten von Wärme verloren, wenn die Temperatur des Substrats erhöht wird. Quadrupolmassenfilter arbeiten typischerweise bei Frequenzen von 800 kHz bis zu 4 MHz. Im gegenwärtigen Kontext werden Werte für den Verlustfaktor bei 1 MHz und 20ºC angegeben.
Die Bedeutung des Verlustfaktors im Zusammenhang mit dem Massenfilter hängt mit dem thermischen Durchgehen in dem Substrat zusammen. Ein thermisches Durchgehen tritt auf, wenn die Wärmemenge, die in dem Quarz erzeugt wird, die Wärme übersteigt. die von dem Glas abgestrahlt werden kann. Die sich daraus ergebende erhöhte Glastemperatur verringert die Volumenwiderstandsfähigkeit des Glases und erhöht den Verlustfaktor, was von dem HFLV das Erzeugen höherer Leistung erfordert, die eine noch größere Wärmeerzeugung verursacht. Dieser positive Rückkopplungszyklus charakterisiert das thermische Durchgehen, das letztendlich mehr Leistung erfordert, als zur Verfügung gestellt werden kann.
Das Risiko eines thermischen Durchgehens steigt bei höheren Masseneinstellungen, die höhere HF-Spannungen erfordern. Dementsprechend erfordern Hochleistungs-Massenfilter Substrate mit geringen Verlustfaktoren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Substratmaterial dahingehend ausgewählt, daß es einen Verlustfaktor von weniger als 0, 2% und vorzugsweise von weniger als 0,01% bei 1 MHz und 20ºC hat.
Die Volumenwiderstandsfähigkeit ist ein Maß für die isolierenden Eigenschaften eines Glases. Die Volumenwiderstandsfähigkeit bestimmt weitgehend das Risiko eines dielektrischen Ausfalls bei erhöhten Temperaturen. Mit anderen Worten ist es für ein Glas mit hoher Volumenwiderstandsfähigkeit weniger wahrscheinlich, daß es einen elektrischen Durchschlag erleidet und in inakzeptabler Weise den HFLV belastet. Die Volumenwiderstandsfähigkeit wird im vorliegenden Fall in Einheiten von log&sub1;&sub0; der Volumenwiderstandsfähigkeit in X-cm angegeben. Eine Volumenwiderstandsfähigkeit von ungefähr 10 bei 250ºC ist für Hochleistungsanwendungen angemessen.
Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannungen bezieht sich auf die Fähigkeit eines Glases, keinen Schaden während des Erhitzens und Abkühlens zu erleiden. Die in diesem Zusammenhang verwendeten Werte beziehen sich auf die maximale Temperatur, bis zu der eine plattenförmige Probe erhitzt werden und dann in Wasser bei 10ºC geworfen werden kann, ohne daß sie zerbricht.
Während dieses Szenarium im Bereich eines Massenfilters nicht strikt nachvollzogen wird, hängt die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung hinreichend mit anderen thermischen Variablen von Interesse, wie der unteren Entspannungstemperatur, der Glühtemperatur, der Erweichungstemperatur und der Betriebstemperatur zusammen, um als ein allgemeiner Indikator für die Belastbarkeit unter Bedingungen mit variierender Temperatur zu dienen. Allgemein hängt die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung mit der Härte oder der Viskosität eines Glases zusammen. Weiterhin hat die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung einen Einfluß auf die Fortdauer der Unversehrtheit des Substrats während Verarbeitungsschritten wie Erhitzungen, die verwendet werden, um die leitenden Streifen und die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit zu befestigen. Für die hier betrachteten Leistungsziele wird eine Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung von mindestens 100ºC und vorzugsweise von mindestens 200ºC verlangt.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ein Maß dafür, wie stark sich ein Material ausdehnt, wenn es erhitzt wird. Wenn der Koeffizient negativ ist, zieht sich das Material zusammen, wenn es erhitzt wird. Dieser Parameter beeinflußt die Formfähigkeit des Substrats, da das Substrat bei hohen Temperaturen über einem Formkern geformt werden muß, der seine Abmessungen bei dem Vorgang ändert. Dieser Parameter ist wichtig für den Betrieb, da Änderungen in der Abmessung die Stabilität der Massenachse und die Filterauflösung beeinträchtigen. Ein höherer Ausdehnungskoeffizient bedeutet auch, daß ein Quadrupol, der sich mit der Temperatur zwischen Einregelungen verändert, eine größere Änderung des Durchmessers erfährt und dementsprechend auch eine größere Verschiebung der Massenzuordnung. Für eine größtmögliche Einfachheit und Zuverlässigkeit sowohl hinsichtlich der Herstellung als auch des Betriebs sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient so nahe bei Null liegen wie möglich. Für die vorliegenden Leistungsziele sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner als 1 x 10&supmin;&sup6; cm/cm/ºC sein.
Nachdem nun die Wertebereiche für den Verlustfaktor, die Volumenwiderstandsfähigkeit, die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestimmt worden sind, die bei einem Glas-Quadrupol für das Erreichen der Leistungsziele erforderlich oder bevorzugt sind, entspricht es der vorliegenden Erfindung, daß das Substrat aus Quarz gebildet wird, was in diesem Zusammenhang als Glas mit einem Siliciumdioxid-Anteil von mindestens 90% definiert wird. Drei beispielhafte Quarzarten sind: ein Quarz mit 96,5% Siliciumdioxid, 3% Borat und 0,5% Aluminiumoxid; Quarzglas, was reines Siliciumdioxid ist, abgesehen von Spurenanteilen von Wasser (99,9% SiO&sub2;, 0,1% H&sub2;O); und Titansilikat mit ultrageringer Ausdehnung, 93% Siliciumdioxid, 7% TiO&sub2;.
Der Quarz mit 96,5% Siliciumoxid hat einen Verlustfaktor von 0,15%, eine Volumenwiderstandsfähigkeit von 9,7 (log&sub1;&sub0; X-cm), eine Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung von 220ºC und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7,5 x 10&supmin;&sup7; zwischen 0ºC und 300ºC. Die entsprechenden Werte für Quarzglas sind 0,0038%, 11,8 (log&sub1;&sub0; X-cm), 286ºC und 5,5 x 10&supmin;&sup7;. Das Titansilikat mit ultrageringer Ausdehnung hat die folgenden entsprechenden Werte: 0,008%, 12,2 (log&sub1;&sub0; X-cm), 3370ºC und 0,5 x 10&supmin;&sup7;. Dementsprechend fallen alle diese drei Quarze in den Bereich der Hochleistungsparameter, die durch die vorliegende Erfindung festgelegt sind.
Die leitenden Streifen 15 sind auf dem Substrat 13 parallel angebracht. Jeder Streifen besitzt parallele, sich longitudinal erstreckende Kanten 23. Jedes Paar von benachbarten leitenden Streifen legt eine Lücke fest, die elektrisch und physikalisch diese leitenden Streifen trennt. Die leitenden Streifen sind dick genug, um elektrische Kontinuität zu gewährleisten. Die Dicke der leitenden Streifen ist gleichmäßig, um sicherzustellen, daß die hyperbolische Form der darunterliegenden Substratabschnitte mit den inneren Oberflächen der leitenden Streifen übereinstimmt. Die dargestellten leitenden Streifen 15 sind ungefähr 1,27 x 10&supmin;&sup5; m (0,5 mil) dick.
Die leitenden Streifen enthalten ein leitendes Material wie Silber. Andere Bestandteile des Streifens können Haftvermittler umfassen. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der leitende Streifen Glas, von dem ein Teil mit dem darunterliegenden Quarz des Substrats verschmolzen ist.
Die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 sind angebracht, um Feldverzerrungen abzuschwächen, die tendenziell besonders bei den höheren Masseneinstellungen auftreten, die bei Hochleistungs-Massenfiltern möglich sind. Hinsichtlich einiger Glas-Quadrupolmassenfilter wurde festgestellt, daß die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt sein kann, wenn eine kleine Masseneinstellung nach einer hohen Masseneinstellung eingestellt wird. Ein ungeladener Block würde bei geringer Masse gut arbeiten. Das Signal bei geringen Masseneinstellungen würde jedoch sogar nach einer kurzen hohen Masseneinstellung verschwinden. Die vollständige Erholung dauerte mehrere Minuten.
Zum Erklärung glaubt man, ohne dabei einschränken zu wollen, daß die falschen Messungen bei geringer Masse das Ergebnis einer Ladungsakkumulation in den Spitzen 21 zwischen benachbarten Paaren von leitenden Streifen 15 sind. Die Ladungsakkumulation ist bei hohen Masseneinstellungen am größten, da bei solchen Einstellungen die Felder am stärksten sind. Die Verzerrungen sind am größten bei kleinen Masseneinstellungen, da die relative Stärke der selektierenden Felder geringer ist. Mit anderen Worten haben die verzerrenden Felder einen größeren Anteil an den für die Massenselektion verwendeten Feldern bei kleinen Einstellungen als an den Feldern, die für hohe Masseneinstellungen verwendet werden. Dementsprechend wirkt insbesondere bei kleiner Masseneinstellung die akkumulierte Ladung so, daß das zentrale elektrische Feld verzerrt und das Passieren von Ionen verhindert wird.
Die Einbeziehung der Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 verzögert offensichtlich die Bildung von sich akkumulierender Ladung oder erleichtert die Dissipation von akkumulierter Ladung oder bewirkt beides. Der exakte Mechanismus ist bis jetzt noch nicht bestimmt worden. Empirisch leisten jedoch die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 einen Beitrag zu einem praktischen Quadrupol-Quarzfilter, in dem die Idealität und die Reproduzierbarkeit der elektrischen Felder innerhalb des Substrats 13 verbessert wird.
Die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 erstrecken sich zwischen benachbarten leitenden Streifen 15. In der dargestellten Ausführungsform überlappt jeder Streifen mit niedriger Leitfähigkeit 17 die angrenzenden longitudinalen Kanten 23 der angrenzenden leitenden Streifen 15. Wenn Streifen niedriger Leitfähigkeit wie gezeigt vorhanden sind, ist eine vernachlässigbare Erholungszeit für gültige kleine Masseneinstellungen nötig, die hohen Masseneinstellungen folgen.
Außer daß Verzerrungen des elektrischen Felds innerhalb des Quadrupols minimiert werden, sollten die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit über dem erwarteten Betriebstemperaturbereich des Quadrupols thermisch stabil sein. Weiterhin sollten die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit gößenordnungsmäßig kompatibel mit dem thermischen Ausdehnungsprofil des Substrats über dem Betriebstemperaturbereich des Quadrupols sein. Wie das Substrat sollten die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit einen geringen Verlustfaktor haben.
Dementsprechend kann ein geeignetes Material für die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit ein Metalloxid umfassen. Zirkonoxid ist besonders wirkungsvoll, Chromoxid ist aber eine Alternative. Diese Materialien können wie unten beschrieben durch Erhitzen einer ein Metalloxid enthaltenden Aufschlämmung aufgebracht werden. Die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit können vorteilhafterweise auch einen Haftvermittler wie Kaliumsilikat enthalten, um das Anhaften an das Substrat zu gewährleisten.
Es gibt drei wesentliche Schritte, um einen Quarzquadrupol wie oben beschrieben herzustellen: Bilden des Quarzsubstrats, Anbringen der leitenden Streifen und Anbringen der Streifen mit niedriger Leitfähigkeit. Die vorliegende Erfindung ermöglicht beträchtliche Variationsmöglichkeiten bei der Abfolge und in den Details dieser Schritte. Zusätzlich kann die Bildung des Formkerns als Vorläuferschritt betrachtet werden.
Um Quarzsubstrate der geeigneten Form wirtschaftlich herzustellen, braucht man einen Formkern, der seine Unversehrtheit bewahrt, wenn er wiederholt den hohen, für das Formen von Quarzen verwendeten Temperaturen ausgesetzt wird. Formkerne aus einem hitzebeständigen Material wie Molybdän, Wolfram und einer Legierung aus Hafnium, Kohlenstoff und Molybdän (HKM) können verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß solche Materialien tatsächlich mit der erforderlichen Präzision zu der geeigneten Form und den Abmessungen gespant, geschliffen und poliert werden können, die zur Bildung eines geeigneten Formkerns 31 nötig sind, der in Figur 3 gezeigt ist.
Der Formkern 31 ist so bemessen, daß seine äußeren Abmessungen den inneren Abmessungen des Substrats bei den Formtemperaturen entsprechen. Da Metalle einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Quarze haben, muß der Formkern bei Raumtemperatur vergleichsweise kleiner als das Innere des gewünschten Substrats sein.
Bei einem bevorzugten Verfahren werden, nachdem der Formkern gebildet und das Substrat daran angepaßt worden ist, die leitenden Streifen gebildet, die von den Streifen mit niedriger Leitfähigkeit gefolgt werden. Eine Quarzröhre mit kreisförmigem Querschnitt und entsprechendem Durchmesser und entsprechender Dicke wird so geblasen, daß sie an einem Ende geschlossen ist. Ein genau gespanter, geschliffener und polierter Formkern wird axial in die Röhre eingeführt. Das zweite Ende der Quarzröhre wird mit einer Vakuumpumpe verbunden. Wenn der Quarz hinreichend erhitzt ist, wird er durch den atmosphärischen Druck dicht auf den Formkern gepresst.
Wenn sich der Quarz dem Formkern angepaßt hat, läßt man den Quarz und den Formkern abkühlen. Während dieser Phase zieht sich der Formkern stärker als das Substrat zusammen, so daß der Formkern leicht entfernt werden kann. Die geeignet geformte Quarz röhre kann auf eine gewünschte Länge zurechtgeschnitten werden, 20,32 x 10&supmin;² m (8") bei der dargestellten Ausführungsform. Die Enden können geschliffen oder auf andere Weise geglättet werden. Dieser Vorgang liefert das Substrat 13 mit dem in Figur 2 dargestellten Querschnitt.
Wenn das Substrat 13 auf diese Weise geformt ist, werden Streifen aus Silber/Glas-Schmelzband auf jedem inneren hyperbolischen Oberflächenabschnitt 19 angebracht. Das Band kann dann erhitzt werden, um das Glas in dem Band mit den angrenzenden hyperbolischen Oberflächen des Substrats zu verschmelzen. Die Bandstreifen sind parallel mit parallelen Lücken zwischen benachbarten Kanten 23 von benachbarten Paaren von leitenden Streifen 15 angeordnet.
Die leitenden Streifen in der dargestellten Ausführungsform werden mit Hilfe eines Metallisierungsbands aufgebracht. Das Band sorgt für eine genaue Positionierung und eine gleichförmige Dicke des leitenden Streifens. Das Metallisierungsband enthält vier Schichten, eine Zellophanschicht oder eine andere Trägerschicht, eine Silberschicht oder eine andere Beschichtungsschicht, eine Haftschicht und eine Schutzschicht aus Papier.
Um das Band anzubringen, wird die Papierschicht entfernt, um das Haftmittel freizulegen. Das Band wird dann bezüglich des Substrats positioniert. Das Band wird dann sanft auf das Substrat gepresst, an welchem das Haftmittel festklebt. Nachdem alle vier leitenden Streifen angebracht worden sind, werden die Zellophanschichten entfernt und die Anordnung wird auf eine Temperatur erhitzt, die für ein permanentes Anhaften des Bands ausreicht.
Das Band kann so angebracht werden, daß es um die Enden des Substrats geschlagen ist, um Verbindungen zu HFLV-Kontaktstreifen zu erleichtern. In diesem Fall können zusätzliche Gruppen von leitenden Streifen auf der Außenseite des Substrats nach den Prozeduren, denen die inneren Streifen unterzogen wurden, angebracht werden.
Die leitenden Streifen können in einer Vielzahl von anderen Weisen angebracht werden. Zum Beispiel können die Spitzen- oder Brückenabschnitte des Substrats maskiert werden und das Substrat kann in eine Versilberungslösung eingetaucht werden, so daß die nichtmaskierten hyperbolischen Abschnitte "verspiegelt" werden.
Der nächste Schritt bei dem bevorzugten Verfahren besteht darin, die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit längs der Lücken zwischen den leitenden Streifen anzubringen. Die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit können aus einer Metalloxid-Aufschlämmung gebildet werden, die vorzugsweise einen Haftvermittler enthält. Dementsprechend kann eine Aufschlämmung durch Vermischen von Zirkonoxid mit einer Lösung von Kaliumsilikat in Wasser gebildet werden. Eine Alternative zu der bevorzugten Zirkonaufschlämmung ist eine Chromoxid-Aufschlämmung wie DAG, was manchmal zum Minimieren von Ladungsakkumulationen in Kathodenstrahlröhren verwendet wird.
Diese Aufschlämmung kann durch eine Bürste oder eine abgeflachte Düse gepumpt werden, die gleichzeitig längs der Lücke gezogen wird, auf der der Streifen mit niedriger Leitfähigkeit angebracht werden soll. Vorzugsweise wird die Aufschlämmung so aufgebracht, daß sie die angrenzenden longitudinalen Kanten der angrenzenden leitenden Streifen überdeckt, um Ladungsemissionen während hoher Masseneinstellungen eines den Quadrupol enthaltenden Massenfilters zu verhindern. Die Aufschlämmung läßt man an der Luft trocknen und erhitzt sie dann, bis der Streifen verfestigt ist und an dem Substrat anhaftet.
Die resultierende Anordnung bietet sich ohne weiteres für das Anbringen von Verbindungskontakten für den Hochfrequenzleistungsverstärker an. Dasselbe leitende Band, das zum Bilden der Elektroden verwendet wurde, kann verwendet werden, um leitende Pfade von jeder Elektrode zu Punkten auf der äußeren Oberfläche der Röhre herzustellen. Gegenüberliegende Elektroden können dann elektrisch verbunden werden, indem die entsprechenden Kontakte mit zusätzlichen Streifen aus dem leitenden Band verbunden werden. Vorzugsweise wird jedes angebrachte leitende Band separat erhitzt, um eine richtige Verschweißung jeder Schicht mit der Quarzröhre und den darunter liegenden leitenden Schichten zu gewährleisten.
Dieses Verfahren, Verbindungen zu dem HFLV herzustellen, hat mehrere Vorteile gegenüber alternativen Zugängen, die oft das Durchbohren des Substrats mit Schrauben oder Bolzen beinhalten. Das Band ist im allgemeinen billiger und ohne weiteres verfügbarer, da es bereits bei der Innenseite verwendet wird. Daher wird die Bestandteillagerung vereinfacht. Die HFLV-Verbindungen befinden sich deutlich außerhalb des Bereichs des elektrischen Felds, das durch die inneren leitenden Streifen abgeschirmt wird. Dennoch erhöhen diese Verbindungsstreifen das Volumen und das Gewicht der Anordnung nur sehr wenig. Schließlich beschädigt das Band wesentlich weniger wahrscheinlich als Schrauben oder andere Alternativen das Substrat während des Anbringens. Während dieses Verfahren des Anbringens der Verbindungen auch auf alternative Quadrupole ausgedehnt werden könnte, besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß sie diese Verbindungen durch den Einsatz von Materialien schafft, die bereits bei der Herstellung des Quadrupols selbst beteiligt sind.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die hohen Umwandlungstemperaturen der Quarze sicherstellen, daß das Substrat seine genaue Form während der Vorgänge des Erhitzens, der Aufschlämmung und der inneren und äußeren Bandstreifen behält. Dieses Erhitzen kann bei Temperaturen weit unterhalb der Umwandlungstemperatur der bevorzugten Quarze durchgeführt werden. Alternativ können Quarzsubstrate ohne weiteres eine Vielzahl von Bearbeitungsschritten aushalten, bei denen hohe Temperaturen auftreten.
Zusätzlich zu der oben ausgeführten Abfolge ermöglicht die Erfindung viele Alternativen. Es ist ohne weiteres möglich, die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit vor den leitenden Streifen anzubringen. Es ist weiterhin möglich, dar die leitenden Streifen und die Streifen mit niedriger Leitfähigkeit gleichzeitig oder abwechselnd bei simultanem Erhitzen angebracht werden.
Bei einem anderen Verfahren, das nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, werden die Streifen aus dem leitendem Material und aus dem Material mit niedriger Leitfähigkeit während des Formens der Quarzröhre über dem Formkern angebracht. Dies kann erreicht werden, indem geeignete Materialien und Träger auf dem Formkern selbst aufgebracht werden, so daß beim Anpassen des Quarzes an den Formkern oder beim Abkühlen die Materialien am Quarz statt am Formkern anhaften. Dieser Zugang kann sowohl für leitende Materialien und Materialien mit niedriger Leitfähigkeit zusammen als auch für eines dieser Materialien gewählt werden. Falls ein einziges Material während der Substratformung angebracht wird, kann das andere später angebracht werden.
Eine andere Alternative besteht darin, das leitende Material oder das Material mit geringer Leitfähigkeit oder beide vor dem Formen des Substrats aufzubringen. Zum Beispiel können leitende Streifen auf das Quarzsubstrat vor dem Anpassen an den Formkern aufgebracht werden, während es die zylindrische Form hat. Dies hat den Vorteil, daß die Oberflächen der Elektroden direkt anstatt indirekt an den hyperbolischen Formkern angepaßt werden.
Entsprechend dem vorangegangenen wird daher ein verbesserter Quadrupol vorgestellt, der die Vorteile von anderen Glas- und Metallquadrupolen in sich vereinigt. Dieser Quarzquadrupol kann wie oben ausgeführt hergestellt werden. um einen Hochleistungs- Massenfilter zu schaffen, der in der Lage ist, Massen bis zu 800 amu und darüber zu scannen. Wie einem Fachmann offensichtlich ist, werden viele Variationen und Modifikationen der vorgestellten Ausführungsformen vorgeschlagen. Dementsprechend wird der Bereich der vorliegenden Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Eine Quadrupol-Elektroden-Massenfilteranordnung (11), welche umfaßt:

eine Quarzröhre (13) mit vier länglichen konkaven Teilstücken (19), deren innere Oberflächen einen im allgemeinen hyperbolischen Querschnitt haben, wobei die konkaven Teilstücke in einander gegenüberliegenden parallelen Paaren angeordnet sind, und mit Brückenabschnitten (21) mit überbrückenden inneren Oberflächen, welche benachbarte Paare aus konkaven Teilstücken verbinden,

parallele leitende Streifen (15), welche jeweils in Längsrichtung auf einer entsprechenden hyperbolischen inneren Oberfläche angeordnet sind, und

Streifen (17) mit niedriger Leitfähigkeit, welche jeweils auf einer entsprechenden überbrückenden inneren Oberfläche angebracht sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzröhre einen Verlustfaktor von weniger als 0,2%, eine thermische Ausdehnung zwischen 0ºC und 300ºC von weniger als 10&supmin;&sup6; cm/cm/ºC und eine Widerstandsfähigkeit gegen thermische Spannung von mindestens 100ºC besitzt.

3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzröhre (13) zu mindestens 90% aus Silika(Silicium(IV)oxid) oder im wesentlichen aus Titansilikat besteht.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (17) mit niedriger Leitfähigkeit ein Metalloxid und vorzugsweise einen Haftvermittler enthalten, damit das Metalloxid an den überbrückenden inneren Oberflächen anhaftet.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Streifen (15) eine Mischung aus Glas und Metall enthalten, wobei ein Teil des Glases mit der hyperbolischen inneren Oberfläche verschmolzen ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung für einen Massenfilter, welches die Schritte

Bilden einer länglichen Quarzröhre (13) mit mehreren konkaven, in Längsrichtung verlaufenden Teilstücken (19), wobei benachbarte Paare derselben durch Brückenabschnitte (21) verbunden sind,

Bilden von leitenden Streifen (15) auf der inneren Oberfläche der Röhre auf und längs der konkaven Teilstücke, so daß jeder der leitenden Streifen von benachbarten leitenden Streifen durch entsprechende Brückenabschnitte (21) getrennt ist und

Bilden von Streifen mit niedriger Leitfähigkeit (17) auf der inneren Oberfläche der Röhre auf und längs der Brückenabschnitte (21) umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Schritt des Bildens der Röhre (13) die Schritte

Bilden eines Formkerns (31) aus feuerfestem Material, Einführen des Formkerns in die Röhre,

Erhitzen der Röhre und des Formkerns und Erzeugen eines Vakuums zwischen diesen, so daß die Röhre sich an den Formkern im Querschnitt über mindestens einen Teilbereich der Röhre anpaßt,

Abkühlen des Formkerns und

Entfernen des Formkerns aus der Röhre umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens der leitenden Streifen (15) den Schritt des Anbringens von metalltragenden Bandstreifen an die konkaven, in Längsrichtung verlaufenden Teilstücke (19) der Röhre umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit den konkaven, in Längsrichtung verlaufenden Teilstücken (19) durch Erhitzen verbunden wird, wobei das Band eine Mischung aus Metall und Glas enthält und das Erhitzen dazu führt, daß ein Teil des Glases an den konkaven, in Längsrichtung verlaufenden Teilstücken anschmilzt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens von Streifen mit niedriger Leitfähigkeit (17) die Schritte

Aufbringen einer Breiaufschlämmung, die vorzugsweise ein Metalloxid und einen Haftvermittler enthält, auf der inneren Oberfläche der Röhre längs jedes Brückenabschnitts (21) und Erhitzen der Breiaufschlämmung, bis diese fest wird und sich mit der inneren Oberfläche der Röhre verbindet, umfaßt.