DE4242766A1 - Quadrupol-Massenfilter - Google Patents
Quadrupol-MassenfilterInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
- H01J49/4205—Device types
- H01J49/421—Mass filters, i.e. deviating unwanted ions without trapping
- H01J49/4215—Quadrupole mass filters
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- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Description
Zur Analyse von Substanzen auf Bestandteile verschie
dener Masse und zur genauen Massenbestimmung finden
Massenspektrometer Verwendung. In einem Massenspektro
meter wird die zu analysierende Substanz einer Ionen
quelle zugeführt und dort ionisiert. Die Ionen werden
in einem elektrischen Feld beschleunigt, so daß ein
gebündelter Ionenstrahl entsteht. In einem Massenfilter
wird der Ionenstrahl dann in seine verschiedenen Masse
anteile zerlegt. Die elektrische Ladung der einzelnen
Bestandteile wird z. B. an einen Auffänger abgegeben,
wobei der dort gemessene Strom der Intensität der je
weiligen Masse proportional ist.
Die bekannten Quadrupol-Massenfilter für Massenspektro
meter weisen vier konzentrisch parallel zueinander an
geordnete Stabelektroden auf. An jedem Paar gegenüber
liegender Elektroden liegt eine Gleichspannung, die von
einer hochfrequenten Wechselspannung überlagert ist. Es
sind aber auch Massenfilter bekannt, deren Stabelektro
den nur an einer hochfrequenten Wechselspannung liegen.
Der Ionenstrahl im Inneren des Quadrupol-Massenfilters
wird durch das Hochfrequenzfeld zu Schwingungen ange
regt, die massenabhängig sind. Nur für Ionen einer be
stimmten Masse bleibt die Schwingungsamplitude so
klein, daß sie das Stabsystem passieren und in den Auf
fänger gelangen. Die anderen Ionen treffen auf die
Stabelektroden und werden eliminiert. In Abhängigkeit
von der Amplitude und der Frequenz der Wechselspannung
können Ionen einer bestimmten Masse fokussiert werden
(Römpp, 9. Auflage, S. 2648, Quadrupol-Massenspektro
meter).
Es sind Quadrupol-Massenfilter bekannt, die einen frei
schwingenden Oszillator aufweisen, wobei die Frequenz
der hochfrequenten Wechselspannung durch die Resonanz
frequenz eines HF-Schwingkreises vorgegeben ist. Derar
tige Massenfilter sind zwar einfach im Aufbau und haben
einen relativ geringen Leistungsbedarf. Die Frequenz
der Wechselspannung ist jedoch nicht stabil. Frequenz
verschiebungen der Wechselspannung, z. B. aufgrund von
Temperaturschwankungen, führen zu Meßungenauigkeiten.
Exaktere Meßergebnisse lassen sich mit Massenfiltern
erzielen, die einen quarzgesteuerten Oszillator auf
weisen, wobei die Resonanzfrequenz des HF-Schwingkrei
ses mit einer Transduktorspule nachgeregelt wird. Eine
derartige Anordnung garantiert zwar eine stabile Fre
quenz. Die Herstellung der Schaltung ist aber relativ
teuer und der Leistungsbedarf ist relativ hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Massen
filter mit einer großen Meßgenauigkeit und einem rela
tiv einfachen Aufbau zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Bei dem erfindungsgemäßen Massenfilter ist eine Kompen
sationseinrichtung vorgesehen, die eine die Ist-Fre
quenz der hochfrequenten Wechselspannung messende Fre
quenzmeßeinrichtung aufweist. Durch Vergleich der
Ist-Frequenz der Wechselspannung und der Soll-Frequenz kön
nen Frequenzabweichungen der Wechselspannung von der
Soll-Frequenz erfaßt werden. Die Kompensationseinrich
tung verändert den Amplitudenwert der Wechselspannung,
der für die Fokussierung der Ionen bei der Soll-Fre
quenz der Wechselspannung vorgegeben ist, in Abhängig
keit von der festgestellten Frequenzabweichung. Die
Kompensationseinrichtung gleicht eine Frequenzänderung
der an den Elektroden anliegenden Wechselspannung durch
eine Änderung des Amplitudenwerts der Wechselspannung
aus, so daß Frequenzverschiebungen der Wechselspannung
nicht zu Änderungen im Massenspektrum führen.
Die Wechselspannungsquelle kann einen freischwingenden
Oszillator mit geringem Leistungsbedarf aufweisen, der
einfach im Aufbau und preisgünstig herzustellen ist.
Aufwendige schaltungstechnische Maßnahmen zur Stabili
sierung der Frequenz der Wechselspannung können bei dem
erfindungsgemäßen Massenfilter entfallen.
Der Korrekturfaktor für den der Soll-Frequenz entspre
chenden Amplitudenwert der Wechselspannung wird vor
teilhafterweise in einer Recheneinheit aus dem Quotien
ten des Quadrats der gemessenen Ist-Frequenz und des
Quadrats der vorgegebenen Soll-Frequenz der Wechsel
spannung berechnet. Für den Fall einer Frequenzände
rung, gibt die Steuereinrichtung einen Amplitudenwert
für die Wechselspannung vor, der dem Produkt aus dem
Amplitudenwert, der der Soll-Frequenz entspricht, und
dem ermittelten Korrekturfaktor entspricht.
Bei Massenfiltern, an deren Elektroden eine Gleichspan
nung anliegt, die von der hochfrequenten Wechselspan
nung überlagert ist, ist die Höhe der Gleichspannung
etwa proportional zur Höhe der Wechselspannung. Bei
einer Veränderung des Amplitudenwerts der Wechselspan
nung durch die Kompensationseinrichtung kann die
Gleichspannung entsprechend nachgeregelt werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die vier Elektroden des Massenfilters in per
spektivischer Darstellung und
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Massen
filter-Versorgung.
Der Quadrupol-Massenfilter weist vier konzentrisch par
allel zueinander im Hochvakuum angeordnete stabförmige
Elektroden 1, 1′ und 3, 3′ auf. An jedem Paar gegenüber
liegender Stabelektroden 1, 1′ und 3, 3′ ist eine Gleich
spannung gelegt, die von einer hochfrequenten Wechsel
spannung überlagert ist. Der Ionenstrahl 5 im Inneren
des Stabsystems wird durch das Hochfrequenzfeld zu
Schwingungen unterschiedlicher Amplitude angeregt, die
massenabhängig sind. Nur für Ionen einer bestimmten
Masse bleibt die Amplitude der Schwingungen so klein,
daß sie das Stabsystem passieren und auf einen
Auffänger 7 gelangen. Die anderen Ionen treffen auf die
stabförmigen Elektroden und werden eliminiert.
Die maximale Masse der durch das Stabsystem hindurch
tretenden Ionen ist proportional zu der an jedem Paar
gegenüberliegender Stabelektroden 1, 1′ und 3, 3′ anlie
genden Wechselspannung und umgekehrt proportional zu
dem Quadrat der Frequenz der hochfrequenten Wechsel
spannung. Durch Veränderung der Amplitudenwerte der
Wechselspannung und der Frequenz der Wechselspannung
kann die Filtercharakteristik also verändert werden.
Das Auflösungsvermögen des Massenfilters ist abhängig
von dem Amplitudenwert der Gleichspannung.
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der
Massenfilter-Versorgung. Jedes Paar gegenüberliegender
Stabelektroden 1, 1′ und 3, 3′ ist elektrisch miteinander
verbunden. Zwischen dem einen Elektrodenpaar 1, 1′ und
dem anderen Elektrodenpaar 3, 3′ liegt eine Serienschal
tung aus einer ersten Spule 9, einem Kondensator 11 und
einer zweiten Spule 13. Ferner sind zwei Kondensatoren
15, 17 vorgesehen, die jeweils zwischen einem Elektro
denpaar 1, 1′ und 3, 3′ und Masse liegen.
Die Massenfilter-Versorgung weist ferner eine Gleich
spannungsquelle 19 auf, die eine Gleichspannung variab
ler Amplitude liefert, wobei der Amplitudenwert der
Gleichspannung abhängig von der Höhe einer an dem Steu
ereingang 21 der Gleichspannungsquelle 19 anliegenden
Steuerspannung ist. Der Ausgang 23 der Gleichspannungs
quelle 19 ist mit dem zwischen den Spulen 9, 13 angeord
neten Kondensator 11 verbunden, so daß die beiden Elek
trodenpaare 1, 1′ und 3, 3′ auf unterschiedlichem Poten
tial liegen. Eine elektrisch zwischen den beiden äuße
ren Spulen 9, 13 geschaltete mittlere Spule 25 überträgt
die hochfrequente Wechselspannung eines HF-Generators
27, dessen Amplitude variabel und abhängig von der an
dem Steuereingang 29 des Generators 27 anliegenden
Steuerspannung ist. Der HF-Generator 27 kann ein frei
schwingender Oszillator sein, wobei die Ist-Frequenz
der an den Stabelektroden anliegenden Wechselspannung
durch die Resonanzfrequenz des aus den Spulen 9, 13, 25,
den Kondensatoren 11, 15, 17 und der Kapazität des Stab
elektrodensystems bestehenden Schwingkreises vorgegeben
ist.
Zur Einstellung der Amplitudenwerte der Gleichspannung
und der Wechselspannung ist eine Steuereinrichtung 31
vorgesehen, die die Steuerspannungen für den HF-Gene
rator 27 und die Gleichspannungsquelle 19 liefert. Der
ursprüngliche Amplitudenwert der Wechselspannung ist so
eingestellt, daß bei einer Wechselspannung mit der
Soll-Frequenz die Ionen einer bestimmten Masse fokus
siert werden.
Zur Kompensation von Frequenzverschiebungen der
Wechselspannung, die z. B. auf die Temperaturkoeffizien
ten der Induktivitäten und der Kapazitäten des
HF-Schwingkreises zurückzuführen sind, ist eine Kompen
sationseinrichtung vorgesehen. Die zu der Kompensa
tionseinrichtung 33 gehörenden Baugruppen sind in Fig. 2
mit einer gestrichelten Linie umrandet. Die Kompensa
tionseinrichtung weist als Frequenzmeßeinrichtung einen
digitalen Frequenzzähler 35 auf, der die Ist-Frequenz
f2 der von dem HF-Generator 27 erzeugten Wechselspan
nung mißt. Die Kompensationsschaltung verändert den für
die Fokussierung der Ionen vorgegebenen Amplitudenwert
der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenzab
weichung von der Soll-Frequenz f1 der Wechselspan
nung. Sie weist eine Recheneinheit 37 auf, die einen
Korrekturfaktor für den Amplitudenwert der Wechselspan
nung, der der Soll-Frequenz entspricht, berechnet.
Der Korrekturfaktor berechnet sich aus dem Quotienten
des Quadrats der gemessenen Ist-Frequenz f2 und des
Quadrats der vorgegebenen Soll-Frequenz f1 der Wechsel
spannung. Der korrigierte Amplitudenwert der Wechsel
spannung ist das Produkt aus dem vorgegebenen Ampli
tudenwert und dem Korrekturfaktor. Die Recheneinheit 37
ist an die Steuereinrichtung 31 gekoppelt. Die Steuer
einrichtung 31 stellt eine Wechselspannung mit einer
Amplitude ein, die der Ist-Frequenz der Wechselspannung
entspricht. Sie korrigiert ferner den Amplitudenwert
der Gleichspannung, der dem Amplitudenwert der Wechsel
spannung proportional ist.
Frequenzverschiebungen der Wechselspannung werden auf
diese Weise erfaßt und die sich daraus ergebenden Ände
rungen im Massenspektrum werden kompensiert. Die Re
cheneinheit und der Frequenzzähler können Bestandteil
eines einzigen Mikroprozessors sein und lassen sich
kostengünstig aufbauen.
Claims (5)
1. Quadrupol-Massenfilter mit
vier konzentrisch parallel zueinander angeordneten Elektroden (1, 1′, 3, 3′),
einer Wechselspannungsquelle (15-27) für jedes Paar gegenüberliegender Elektroden, die eine hoch frequente Wechselspannung variabler Amplitude lie fert, wobei die Elektroden (1, 1′, 3, 3′) ein elek trisches Feld erzeugen, durch das in Abhängigkeit von der Frequenz und der Amplitude der Wechsel spannung Ionen einer bestimmten Masse fokussiert werden, und
einer Steuereinrichtung zur Einstellung der Ampli tude der Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung (33) vorgesehen ist, die eine die Ist-Frequenz der Wechselspannung messende Frequenzmeßeinrichtung (35) zur Feststel lung einer Frequenzabweichung von der Soll-Fre quenz der Wechselspannung aufweist, und daß die Kompensationseinrichtung (33) den für die Fokus sierung der Ionen vorgegebenen Amplitudenwert der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz abweichung verändert.
vier konzentrisch parallel zueinander angeordneten Elektroden (1, 1′, 3, 3′),
einer Wechselspannungsquelle (15-27) für jedes Paar gegenüberliegender Elektroden, die eine hoch frequente Wechselspannung variabler Amplitude lie fert, wobei die Elektroden (1, 1′, 3, 3′) ein elek trisches Feld erzeugen, durch das in Abhängigkeit von der Frequenz und der Amplitude der Wechsel spannung Ionen einer bestimmten Masse fokussiert werden, und
einer Steuereinrichtung zur Einstellung der Ampli tude der Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung (33) vorgesehen ist, die eine die Ist-Frequenz der Wechselspannung messende Frequenzmeßeinrichtung (35) zur Feststel lung einer Frequenzabweichung von der Soll-Fre quenz der Wechselspannung aufweist, und daß die Kompensationseinrichtung (33) den für die Fokus sierung der Ionen vorgegebenen Amplitudenwert der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz abweichung verändert.
2. Massenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Kompensationseinrichtung (33) eine
Recheneinheit (37) aufweist, die das Produkt aus
dem Amplitudenwert der Wechselspannung, der für
die Fokussierung der Ionen bei der Soll-Frequenz
der Wechselspannung vorgegeben ist, und einem Kor
rekturfaktor bildet, der sich aus dem Quotienten
der Quadrate der gemessenen Ist-Frequenz und der
Soll-Frequenz der Wechselspannung berechnet, und
daß die Steuereinrichtung (33) die Amplitude der
Wechselspannung so einstellt, daß der Amplituden
wert gleich dem ermittelten Produkt ist.
3. Massenfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle
(15-27) einen freischwingenden Oszillator auf
weist.
4. Massenfilter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß für jedes Paar gegenüberlie
gender Elektroden (1, 1′ und 3, 3′) eine Gleichspan
nungsquelle (19) vorgesehen ist, die eine Gleich
spannung variabler Amplitude liefert.
5. Massenfilter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Frequenzmeßeinrichtung
(35) ein digitaler Frequenzzähler ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924242766 DE4242766A1 (de) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | Quadrupol-Massenfilter |
PCT/EP1993/003532 WO1994014184A1 (de) | 1992-12-17 | 1993-12-14 | Quadrupol-massenfilter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924242766 DE4242766A1 (de) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | Quadrupol-Massenfilter |
Publications (1)
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DE4242766A1 true DE4242766A1 (de) | 1994-06-23 |
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ID=6475647
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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Country Status (2)
Country | Link |
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DE (1) | DE4242766A1 (de) |
WO (1) | WO1994014184A1 (de) |
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WO1994014184A1 (de) | 1994-06-23 |
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