EP2506287A1 - Ansteuervorrichtung für einen synchronous ion shield Massenseparator - Google Patents

Ansteuervorrichtung für einen synchronous ion shield Massenseparator Download PDF

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EP2506287A1
EP2506287A1 EP12001634A EP12001634A EP2506287A1 EP 2506287 A1 EP2506287 A1 EP 2506287A1 EP 12001634 A EP12001634 A EP 12001634A EP 12001634 A EP12001634 A EP 12001634A EP 2506287 A1 EP2506287 A1 EP 2506287A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
equal
ion shield
signal sequence
synchronous ion
massenseparators
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12001634A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Dr. Deilmann
Michael Dr. Gerding
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krohne Messtechnik GmbH and Co KG filed Critical Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Publication of EP2506287A1 publication Critical patent/EP2506287A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0013—Miniaturised spectrometers, e.g. having smaller than usual scale, integrated conventional components
    • H01J49/0018—Microminiaturised spectrometers, e.g. chip-integrated devices, Micro-Electro-Mechanical Systems [MEMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/022—Circuit arrangements, e.g. for generating deviation currents or voltages ; Components associated with high voltage supply

Definitions

  • the invention relates to a drive device for a synchronous ion shield mass separator comprising a reference oscillator, a direct digital synthesizer, a low pass and a comparator, the synchronous ion shield mass separator having a comb-shaped separation electrode, the reference oscillator providing a reference frequency to the direct digital synthesizer is filtered by the direct digital synthesizer output signal is filtered by the low-pass filter and the output signal of the low-pass filter is processed by the comparator.
  • the invention further relates to a method for driving a synchronous ion shield Massenseparators, wherein the synchronous ion shield Massenseparator has a comb-shaped separation electrode.
  • Mass separators are used in mass spectrometers to separate charged particles - ions - according to their mass or their mass / charge ratio, they are therefore also referred to as analyzers.
  • the mass separator accounts for a substantial portion of the total space requirement of the mass spectrometer. In the context of miniaturization of mass spectrometers, it is therefore of particular importance to develop a particularly small but still highly efficient mass separator, which continues to separate different ions with extreme precision.
  • Such a mass separator is described, for example, in the article " Mass spectra measured by a fully integrated MEMS mass spectrometer "by J.-P. Hauschild et al., International Journal of Mass Spectrometry, Elsevier, March 2007 , and is referred to there as synchronous ion shield Massenseparator.
  • a synchronous ion shield mass separator essentially consists of a comb-shaped separation electrode.
  • This comb-shaped separation electrode has a plurality of prongs, which are arranged side by side at a small distance from the comb back, so that a small gap remains between the prongs of the separation electrode and the comb back.
  • the comb back has low protuberances, the lie opposite the tines.
  • the ions to be analyzed are subjected to an electric field - depending on their charge - with force and - depending on their mass - accelerated. After passing through the electric field, the ions have an identical direction of movement.
  • the electric field strength on the one hand and the mass and the charge of the ions on the other hand determine the velocity of the ions after passing through the potential difference.
  • the mass separator From one end of the gap, the entrance of the mass separator, the accelerated ions are introduced parallel to the comb back into the mass separator. So that the ions can move along the gap without problems, the mass separator is usually evacuated as far as possible. In a miniature mass separator, the evacuation requirements are not as stringent as with a non-miniaturized mass separator because the ions in a miniaturized mass separator must travel significantly short distances and therefore reduce the likelihood of collisions with residual gas atoms or molecules.
  • a known from the prior art Massenseparator is usually controlled by the fact that the output signal of the comparator of a Massenseparators described above is divided into two signals and one of these signals is inverted. As a result, two complementary signals switching at the same clock frequency are obtained. These two signals are in turn used to drive the tines of the separation electrode, wherein one of the signals controls the first and every second further tines - ie the odd-numbered tines - the separation electrode and the other of the two signals the second and every second further tines - ie the even-numbered Tines - the separation electrode controls.
  • the previously derived and indicated object is achieved on the basis of the drive device described above in that the output signal of the comparator is converted by a programmable element into a number of output signals corresponding to the number of tines of the comb-shaped separation electrode.
  • the use of a programmable element allows with appropriate programming and driving the programmable element, the output of output signals that correspond in principle to any signal sequences. Therefore, with the drive device according to the invention, it is not only possible to generate the signal sequences known from the prior art, but also to use application-specific signal sequences, in particular independently of the hardware. In order to generate a different signal sequence with the same hardware, it is already sufficient to change the programming of the programmable element.
  • the drive device according to the invention is much simpler constructed than the drive devices of the prior art, so that this results in a significant cost advantage.
  • the programmable element is a programmable logic element in the form of an FPGA.
  • a further advantageous development of the invention is characterized in that the programmable logic element is a CPLD.
  • FPGA refers to a so-called Field Programmable Gate Array, which represents a programmable integrated circuit.
  • Another programmable integrated circuit is the Complex Programmable Logic Device, abbreviated to CPLD.
  • FPGAs and CPLDs are widely used and therefore cheap microchips for implementing specific programming.
  • the use of an FPGA or a CPLD takes place after weighing the specific advantages and disadvantages of the applicable FPGA and CPLDs.
  • a microcontroller may also be used as the programmable element, it being necessary to check here whether the requirement for the signal sequence of the microcontroller and the operating system implemented there in time can be met.
  • a digital signal processor with an operating system with real-time properties can be used for the present application.
  • the previously derived and indicated object is also achieved, on the basis of the method described at the outset for the control of a synchronous ion shield mass separator, in that the output signals of a drive device are used to control the tines of the comb-shaped separation electrode according to the above explanations.
  • the control device described above can be implemented with the inventive method a particularly flexible way to control a synchronous ion shield Massenseparators because the signal can be generated with the control signal principle are arbitrary and this with a particularly simple and inexpensive construction of the drive device.
  • Not every signal sequence is suitable for controlling a synchronous ion shield mass separator. For example, a signal sequence consisting exclusively of ones results in no ions being able to pass through the mass separator. A selection of particularly advantageous signal sequences will be described below.
  • the output signals of the drive device have a signal sequence in which the signal sequence alternately consists of n zeros and m ones, where all k cycles of the programmable element continue to move the signal sequence by j steps, where n, m, k and j are natural numbers greater than zero and where n is greater than or equal to the quotient (j mod (n + m)) / k.
  • n is greater than or equal to the quotient (j mod (n + m)) / k.
  • j mod (n + m) denotes the remainder in dividing j by n + m. Only this condition ensures that ions can pass the mass separator at all. This becomes particularly clear with a simple example.
  • the ions are introduced from the left into the mass separator, i. in the first cycle first on a field-free tine, this corresponds to the first digit 0 in the above-mentioned signal sequence of the first clock, meet.
  • these ions do not have the opportunity to reach the next field-free tine, since the permanent electric field on the second tine blocks the path to the next field-free tine, which is represented by the third digit - the signal sequence of the second cycle.
  • the number m is greater than the number n. It is particularly advantageous if the number n is equal to 3 and the number m is equal to 5.
  • the output signals of the drive device comprise a signal sequence in which the signal sequence consists of e zeros followed by ones, wherein every g cycles of the programmable element the signal sequence by h steps on, where e, g and h natural Numbers are greater than zero and where e is greater than or equal to the quotient h / g.
  • the signal sequence consists only of a single block of e zeros and otherwise only ones. Ie.
  • the signal sequence is realized by a shift register.
  • the shift register is implemented in the programmable element.
  • the sequence of zeros and ones stored in the memory elements of the disk register continues to move by a predetermined number of steps at each clock. Values at the end of the shift register are returned to the beginning of the shift register.
  • the values of the memory elements of the shift register also form the output signals of the programmable element.
  • the signal sequence is read from a memory at each clock of the element, to which a change of the output signals is provided.
  • a memory in the programmable element in which the signal sequence to be applied at each clock is stored. This signal sequence is read from the memory at each clock and output at the outputs of the programmable element.
  • the in the Fig. 1 illustrated drive device known from the prior art comprises a reference oscillator 1 for generating a reference frequency signal.
  • the reference frequency signal of the reference oscillator 1 is converted by a direct digital synthesizer 2 into a predetermined frequency.
  • the frequency signal now freed of unwanted frequency components is processed by a comparator 4.
  • the comparator 4 outputs two identical output signals, one of which is inverted by an inverter 5.
  • the inverted and the non-inverted signal serve to drive a comb-shaped separation electrode 6.
  • the separation electrode 6 has a plurality of prongs 7 and a comb back 8.
  • the non-inverted signal serves to control the first and each second further tine 7 of the separation electrode 6.
  • the inverted signal serves to control the second and every second further tine 7 of the separation electrode 6.
  • Fig. 2 is the more precise operation of in Fig. 1 shown separation electrode 6 can be seen.
  • the comb back 8 of the separation electrode 6 is connected via a voltage source 9 and a plurality of switches 10 with the prongs 7 of the separation electrode 6.
  • each tine 7 is assigned a switch 10. If all the switches 10 are opened, moving ions can move freely between the comb back 6 parallel to the comb back 6 and the tines 7 move. If one of the switches 10 is closed, a voltage which is predetermined by the voltage source 9 is present between the corresponding prong 7 and the comb back 6. The resulting from this voltage electric field between the corresponding tines 7 and the comb back 6 is able to deflect parallel to the comb back 6 between the comb back 6 and the tines 7 advancing ions. As a rule, these ions collide with the structures of the separation electrode 6 and are not available for further analysis.
  • the tines 7 of the separation electrode 6 associated switch 10, as shown Fig. 1 is controlled by the inverted and the non-inverted signal of the comparator 4 controlled. It follows that a voltage is applied to every second prong 7 and no voltage is applied to the remaining prongs 7. This signal sequence of alternately applied voltage and undamped voltage at the tines is inverted with the frequency specified by the direct digital synthesizer 2. This is tantamount to the fact that the signal sequence applied to the prongs 7 moves one step further towards the output of the separation electrode 6 with each cycle of the frequency of the direct digital synthesizer 2.
  • Fig. 2 is the output, as shown in the arrows, describe the possible paths of the ions to be analyzed by way of example, arranged at the upper end of the separation electrode. Ions which have the same speed as the signal sequence traveling along the prongs 7, when no voltage is applied to the first prong when entering the separation electrode 6, that is, they first strike a zero in the signal sequence, can pass through the latter Zero-represented field-free region through the separation electrode 6 follow and so get to the output of the separation electrode 6.
  • ions with a lower or higher speed than the signal sequence meet within the separation electrode 6 to a region in which they are deflected by a field, which by a
  • a not shown possibility of driving the tines 7 is that originating from the comparator 4 inverted signal and the non-inverted signal respectively after any gain as Voltage signal directly be applied to the tines 7.
  • the voltage source 9 and the switches 10 are not required.
  • the control device according to the invention also has a reference oscillator 1, a direct digital synthesizer 2, a low-pass filter 3 and a comparator 4, which operate in the same way as in FIG Fig. 1 are interconnected.
  • the comparator 4 of the drive device according to the invention outputs only a single output signal, which is supplied to a programmable element 11.
  • the programmable element 11 has a number of output signals corresponding to the number of tines 7 of the comb-shaped separation electrode 6. This means that each tine 7 of the separation electrode 6 is assigned an output signal of the programmable element 11 and therefore each tine 7 is individually controllable via the corresponding output signal of the programmable element 11.
  • the Fig. 4 shows a programmable element 11 in which the inventive method is realized by a shift register.
  • the shift register within the programmable element 11 in this case has a number of memory elements 12, which corresponds to the number of outputs 13 of the programmable element 11.
  • the desired signal sequence is stored in the memory elements 12 of the programmable element 11.
  • the value stored in each memory element 12 of the shift register is passed to the next memory element 12 of the shift register.
  • the value stored in the last memory element 12 of the shift register is in this case forwarded to the first memory element 12 of the shift register.
  • the Fig. 5 shows a programmable memory element 11 having a memory 14.
  • the signal sequences to be output by the programmable element 11 are stored.
  • a signal sequence is read from the memory 14 and output via the memory elements 12 and the outputs 13. In this way, almost any signal sequences can be output by the programmable element 11.
  • a simple signal sequence of alternating zeros and ones is shown.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Ansteuervorrichtung für einen synchronous ion shield Massenseparator mit einem Referenzoszillator (1), einem Direct Digital Synthesizer (2), einem Tiefpass (3) und einem Komparator (4), wobei der synchronous ion shield Massenseparator eine kammförmige Separationselektrode (6) aufweist, wobei der Referenzoszillator (1) dem Direct Digital Synthesizer (2) eine Referenzfrequenz zur Verfügung stellt, das von dem Direct Digital Synthesizer (2) erzeugte Ausgangssignal von dem Tiefpass (3) gefiltert wird und das Ausgangssignal des Tiefpasses (3) von dem Komparator (4) verarbeitet wird.
Eine Ansteuervorrichtung, die flexibel einsetzbar und kostengünstig ist, wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das Ausgangssignal des Komparators (4) von einem programmierbaren Element (11) in eine der Anzahl der Zinken (7) der kammförmigen Separationselektrode (6) entsprechende Anzahl von Ausgangssignalen umgewandelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für einen synchronous ion shield Massenseparator mit einem Referenzaszillator, einem Direct Digital Synthesizer, einem Tiefpass und einem Komparator, wobei der synchronous ion shield Massenseparator eine kammförmige Separationselektrode aufweist, der Referenzoszillator dem Direct Digital Synthesizer eine Referenzfrequenz zur Verfügung stellt, das von dem Direct Digital Synthesizer erzeugte Ausgangssignal von dem Tiefpass gefiltert wird und das Ausgangssignal des Tiefpasses von dem Komparator verarbeitet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators, wobei der synchronous ion shield Massenseparator eine kammförmige Separationselektrode aufweist.
  • Gattungsgemäße Massenseparatoren dienen bei Massenspektrometern dazu, geladene Teilchen - Ionen - nach ihrer Masse bzw. nach ihrem Masse/Ladung-Verhältnis zu trennen, sie werden deshalb auch als Analysatoren bezeichnet wird. Der Massenseparator macht einen wesentlichen Teil des gesamten Raumerfordemisses des Massenspektrometers aus. Im Rahmen der Miniaturisierung von Massenspektrometern ist es deshalb von besonderer Bedeutung, einen besonders kleinen aber weiterhin hoch leistungsfähigen Massenseparator zu entwickeln, der unterschiedliche Ionen weiterhin mit äußerster Präzision trennt. Ein derartiger Massenseparator wird beispielsweise beschrieben in dem Aufsatz "Mass spectra measured by a fully integrated MEMS mass spectrometer" von J.-P. Hauschild et al., International Journal of Mass Spectrometry, Elsevier, März 2007, und wird dort als synchronous ion shield Massenseparator bezeichnet.
  • Ein synchronous ion shield Massenseparator besteht im Wesentlichen aus einer kammförmigen Separationselektrode. Diese kammförmige Separationselektrode weist eine Mehrzahl an Zinken auf, die nebeneinander in einem geringen Abstand von dem Kammrücken angeordnet sind, so dass zwischen den Zinken der Separationselektrode und dem Kammrücken ein kleiner Spalt verbleibt. Häufig weist auch der Kammrücken geringe Vorstülpungen auf, die den Zinken jeweils gegenüber liegen. Die zu analysierenden Ionen werden von einem elektrischen Feld - in Abhängigkeit von ihrer Ladung - mit Kraft beaufschlagt und - in Abhängigkeit von ihrer Masse - beschleunigt. Nach Durchlaufen des elektrischen Feldes weisen die Ionen eine identische Bewegungsrichtung auf. Die elektrische Feldstärke einerseits und die Masse und die Ladung der Ionen andererseits bestimmen die Geschwindigkeit der Ionen nach Durchlaufen der Potentialdifferenz.
  • Von einem Ende des Spaltes, dem Eingang des Massenseparators, werden die beschleunigten Ionen parallel zum Kammrücken in den Massenseparator eingebracht. Damit die Ionen sich entlang des Spaltes problemlos fortbewegen können, ist der Massenseparator üblicherweise weitestgehend evakuiert. Bei einem Miniatur-Massenseparator sind die Ansprüche an die Evakuierung nicht so streng wie bei einem nicht miniaturisierten Massenseparator, da die Ionen in einem miniaturisierten Massenseparator deutlich geringe Wegstrecken zurück legen müssen und daher die Wahrscheinlichkeit für Stöße mit Restgasatomen oder -molekülen verringert ist.
  • Durch Anlegen einer Spannung zwischen einem Zinken und dem Kammrücken der kammförmigen Separationselektrode wird ein elektrisches Feld hervorgerufen, das sich durch den Spalt bewegende Ionen von ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung ablenkt, so dass sie mit der kammförmigen Separationselektrode kollidieren und nicht am anderen Ende des Spaltes, dem Ausgang des Massenseparators, ankommen. Je nach Ladung der Ionen und Richtung des elektrischen Feldes kollidieren abgelenkte Ionen entweder mit den Zinken oder dem Kammrücken der Separationselektrode. Diese abgelenkten Ionen stehen, falls der Massenseparator beispielsweise in einem Massenspektrometer eingesetzt wird, einer weiteren Analyse nicht mehr zur Verfügung.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zwischen jedem zweiten Zinken und dem Kammrücken eine Spannung anzulegen und an den dazwischen liegenden Zinken und dem Kammrücken keine Spannung anzulegen. Dadurch ergibt sich entlang der Zinken ein einfaches Muster, im Folgenden als Signalfolge bezeichnet, von abwechselnd anliegender Spannung und nicht anliegender Spannung. Eine vereinfachte Darstellung derartiger Signalfolgen erfolgt hier mit Nullen und Einsen, wobei eine Eins für das Vorhandensein einer elektrischen Potentialdifferenz und eine Null für das Nichtvorhandensein einer elektrischen Potentialdifferenz steht. Die zuvor beschriebene Signalfolge von abwechselnd anliegender Spannung und nicht anliegender Spannung entspricht folglich einer Signalfolge sich abwechselnder Nullen und Einsen. Bei einer kammförmigen Separationselektrode mit 10 Zinken ergibt sich beispielsweise bei strikt alternierend vorhandener und nicht vorhandener Potentialdifferenz:
    • 0101010101.
  • Um eine Separation der Ionen nach ihrer Masse zu erhalten, wird gemäß dem Stand der Technik mit einer bestimmten Taktfrequenz die Signalfolge jeweils um einen Zinken in Richtung des Ausgangs der Separationselektrode verschoben. D. h. im nächsten Taktschritt ergibt sich für die zuvor beschriebene kammförmige Separationselektrode mit 10 Zinken folgende Signalfolge:
    • 1010101010.
  • Ausschließlich Ionen mit einer bestimmten durch die Taktfrequenz und die Geometrie der Separationselektrode festgelegten Geschwindigkeit folgen den wandernden Nullen der Signalfolge, d. h. den feldfreien Bereichen in der Separationselektrode, und erreichen den Ausgang des Massenseparators. Ionen mit einer zu geringen oder zu hohen Geschwindigkeit gelangen während der Fortbewegung im Spalt der Separationselektrode in Bereiche, in denen sie von einem zwischen einem Zinken und dem Kammrücken herrschende elektrischen Feld abgelenkt werden. Im Ergebnis werden nur Ionen mit einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis von dem Massenseparator durchgelassen, also von Ionen mit einem anderen Masse-zu-Ladung-VerhäItnis separiert. Durch eine Veränderung der Taktfrequenz können andere Ionengeschwindigkeiten und folglich andere Masse-zu-Ladung-Verhältnisse von dem Massenseparator selektiert werden. Obwohl der Massenseparator nicht nach Masse, sondern nach Masse-zu-Ladung-Verhältnis selektiert, wird üblicherweise von einem Massenseparator gesprochen.
  • Angesteuert wird ein aus dem Stand der Technik bekannter Massenseparator in der Regel dadurch, dass das Ausgangssignal des Komparators eines eingangs beschriebenen Massenseparators in zwei Signale aufgeteilt und eines dieser Signale invertiert wird. Dadurch werden zwei mit der gleichen Taktfrequenz umschaltende komplementäre Signale erhalten. Diese beiden Signale werden wiederum zur Ansteuerung der Zinken der Separationselektrode verwendet, wobei eines der Signale den ersten und jeden zweiten weiteren Zinken - also die ungeradzahligen Zinken - der Separationselektrode steuert und das andere der beiden Signale den zweiten und jeden zweiten weiteren Zinken - also die geradzahligen Zinken - der Separationselektrode steuert.
  • Aus dem Aufsatz "The novel synchronous ion shield mass analyzer" von J. -P, Hauschild et al., Journal of Mass Spectrometry, 2009, 44, ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem die Auflösung eines synchronous ion shield Massenseparators dadurch erhöht wird, dass die Einschaltzeiten der Spannungen an den Zinken der Separationselektrode in Relation zu den Ausschaltzeiten verlängert werden. Eine Ansteuerschaltung zur Realisierung dieses Verfahrens wird in "Optimierung der Ansteuerung des SIS-Massenseparators im planar integrierten Mikro-Massenspektrometer" von G. Quiring et al., Mikrosystemtechnik Kongress, 2009, VDE Verlag GmbH, beschrieben. Diese Ansteuerschaltung umfasst im Wesentlichen vier parallele Signalwege, die jeweils einen Direct Digital Synthesizer, einen Tiefpass und einen Komparator aufweisen. Aufgrund der mehrfachen Ausführung der Signalwege ist diese Ansteuerschaltung technisch aufwendig und kostspielig. Darüber hinaus sind die möglichen Signalfolgen sehr begrenzt.
  • Damit ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Ansteuervorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators anzugeben, die flexibel einsetzbar und kostengünstig sind.
  • Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist ausgehend von der eingangs beschriebenen Ansteuervorrichtung dadurch gelöst, dass das Ausgangssignal des Komparators von einem programmierbaren Element in eine der Anzahl der Zinken der kammförmigen Separationselektrode entsprechende Anzahl von Ausgangssignalen umgewandelt wird. Die Verwendung eines programmierbaren Elements ermöglicht bei entsprechender Programmierung und Ansteuerung des programmierbaren Elements die Ausgabe von Ausgangssignalen, die prinzipiell beliebigen Signalfolgen entsprechen. Daher lassen sich mit der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung nicht nur die aus dem Stand der Technik bekannten Signalfolgen erzeugen, sondern, insbesondere unabhängig von der Hardware, anwendungsspezifische Signalfolgen verwenden. Um mit der gleichen Hardware eine andere Signalfolge zu erzeugen, reicht es bereits aus, die Programmierung des programmierbaren Elements zu verändern. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung deutlich einfacher aufgebaut als die Ansteuervorrichtungen aus dem Stand der Technik, so dass sich hierdurch ein erheblicher Kostenvorteil ergibt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das programmierbare Element ein programmierbares Logikelement in Form eines FPGA ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das programmierbare Logikelement ein CPLD ist. Hierbei bezeichnet FPGA ein sogenanntes Field Programmable Gate Array, welches einen programmierbaren integrierten Schaltkreis darstellt. Ebenfalls ein programmierbarer integrierter Schaltkreis ist das Complex Programmable Logic Device, abgekürzt CPLD. FPGAs und CPLDs sind weit verbreitete und somit günstige Mikrochips zur Realisierung spezifischer Programmierungen. Je nach Anforderung an die Signalfolgen erfolgt der Einsatz eines FPGA oder eines CPLD nach Abwägung der spezifischen Vor- und Nachteil der in Frage kommenden FPGA und CPLDs.
  • Alternativ kann als programmierbares Element auch ein Mikrocontroller zum Einsatz kommen, wobei hier zu prüfen ist, ob die Anforderung an die zeitlich genau zu schaltende Signalfolge von Mikrocontroller und dort implementiertem Betriebsystem erfüllt werden können. Vorzugsweise kann für den vorliegenden Anwendungsfall ein digitaler Signalprozessor mit einem Betriebsystem mit Echtzeiteigenschaften zum Einsatz kommen.
  • Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators ferner auch dadurch gelöst, dass die Ausgangssignalen einer Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung der Zinken der kammförmigen Separationselektrode gemäß den vorstehenden Ausführungen verwendet werden. Mit der bereits beschriebenen Ansteuervorrichtung lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders flexible Möglichkeit zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators realisieren, da die mit der Ansteuervorrichtung erzeugbaren Signalfolgen prinzipiell beliebig sind und dies bei einem besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau der Ansteuervorrichtung. Nicht jede Signalfolge eignet sich zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators. Beispielsweise führt eine Signalfolge, die ausschließlich aus Einsen besteht, dazu dass keine Ionen den Massenseparator passieren können. Eine Auswahl an besonders vorteilhaften Signalfolgen wird im Folgenden beschrieben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangssignale der Ansteuervorrichtung eine Signalfolge aufweisen, bei der die Signalfolge abwechselnd aus n Nullen und m Einsen besteht, wobei alle k Takte des programmierbaren Elements die Signalfolge um j Schritte weiterwandert, wobei n, m, k und j natürliche Zahlen größer Null sind und wobei n größer oder gleich dem Quotienten (j mod (n+m))/k ist. Von entscheidender Bedeutung für eine derartige Signalfolge ist die letztgenannte Bedingung, dass n größer oder gleich dem Quotienten (j mod (n+m))/k ist. Hierbei bezeichnet j mod (n+m) den Rest bei der Division von j durch n+m. Erst diese Bedingung gewährleistet, dass überhaupt Ionen den Massenseparator passieren können. Dies wird an einem einfachen Beispiel besonders deutlich.
  • Ist beispielsweise n gleich 1, m gleich 2, k gleich 1 und j gleich 2, bedeutet dies, dass der feldfreie Bereich, der durch die Nullen repräsentiert wird und in dem keine Ablenkung der Ionen erfolgt, genau einen Zinken breit ist. Wandert dieser Zinken bei jedem Takt genau zwei Zinken weiter, bedeutet dies, dass kein Ion die Möglichkeit hat aus einem feldfreien Bereich eines Taktes in den nächsten feldfreien Bereich des nächsten Taktes zu gelangen, da zwischen einem feldfreien Bereich in einem Takt und einem feldfreien Bereich im nächsten Takt stets ein Bereich liegt, der dauerhaft ein elektrisches Fels aufweist. Bei einer kammförmigen Separationselektrode mit 10 Zinken sieht dies beispielsweise wie folgt aus (fett dargestellt ist die stets feldbehaftete Position):
    1. 1. Takt: 0110110110
    2. 2. Takt: 1101101101
  • Bei diesem Beispiel und allen folgenden Beispielen wird davon ausgegangen, das die Ionen von links in den Massenseparator eingebracht werden, d.h. im ersten Takt zunächst auf einen feldfreien Zinken, dieser entspricht der ersten Ziffer 0 in der oben aufgeführten Signalfolge des ersten Taktes, treffen. Im zweiten Takt haben diese Ionen nicht die Möglichkeit zum nächsten feldfreien Zinken zu gelangen, da das dauerhafte elektrische Feld am zweiten Zinken den Weg zum nächsten feldfreien Zinken, welcher durch die dritte Ziffer - 0 - der Signalfolge des zweiten Taktes repräsentiert wird, versperrt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zahl n gleich 2, die Zahl m gleich 2, die Zahl k gleich 1 ist und die Zahl j gleich 2 ist. Die ersten beiden Takte dieser Signalfolge wiederholen sich bei weiteren Takten und ergeben sich bei einer kammförmigen Separationselektrode mit 10 Zinken beispielsweise zu:
    1. 1. Takt: 0011001100
    2. 2. Takt: 1100110011
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zahl n gleich 2, die Zahl m gleich 2, die Zahl k gleich 1 ist und die Zahl j gleich 1 ist. Die ersten vier Takte dieser Signalfolge wiederholen sich bei weiteren Takten und ergeben sich bei einer kammförmigen Separationselektrode mit 10 Zinken beispielsweise zu:
    1. 1. Takt: 0011001100
    2. 2. Takt: 1001100110
    3. 3. Takt: 1100110011
    4. 4. Takt: 0110011001
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zahl n gleich 1, die Zahl m gleich 1, die Zahl k gleich 1 ist und die Zahl j gleich 1 ist, Diese Erfindungsgemäße Ausgestaltung entspricht genau der aus dem Stand der Technik bekannten Signalfolge bestehend aus abwechselnden Einsen und Nullen, die bei jedem Takt um einen Schritt weiterwandert. Die ersten beiden Takte dieser Signalfolge wiederholen sich bei weiteren Takten und ergeben sich bei einer kammförmigen Separationselektrode mit 10 Zinken beispielsweise zu:
    1. 1. Takt: 0101010101
    2. 2. Takt: 1010101010
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zahl m größer als die Zahl n ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zahl n gleich 3 und die Zahl m gleich 5 ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass die Ausgangssignale der Ansteuervorrichtung eine Signalfolge aufweisen, bei der die Signalfolge aus e Nullen gefolgt von Einsen besteht, wobei alle g Takte des programmierbaren Elements die Signalfolge um h Schritte weiterwandert, wobei e, g und h natürliche Zahlen größer Null sind und wobei e größer oder gleich dem Quotienten h/g ist. Von Bedeutung für eine derartige Signalfolge ist die letztgenannte Bedingung, dass e größer oder gleich dem Quotienten h/g ist. Auch hier gewährleistet die Bedingung, dass überhaupt Ionen den Massenseparator passieren können. Die Signalfolge besteht nämlich lediglich aus einem einzigen Block von e Nullen und sonst nur aus Einsen. D. h. mit dieser Signalfolge wird lediglich ein einzelnes "Paket" Ionen, nämlich in dem Block aus e Nullen, der einen feldfreien Bereich von e Zinken repräsentiert, von dem Massenseparator aufgenommen und nur die Ionen dieses Pakets mit einer bestimmten Geschwindigkeit und folglich einem bestimmten Masse-zu-Ladung-Verhältnis können den Massenseparator passieren.
  • Ist die Bedingung, dass e größer oder gleich dem Quotienten h/g ist, nicht erfüllt, bedeutet dies, dass kein Ion die Möglichkeit hat, aus dem feldfreien Block eines ersten Taktes in den nächsten feldfreien Block des folgenden Taktes zu gelangen, da zwischen einem feldfreien Block in einem Takt und einem feldfreien Block im nächsten Takt stets ein Bereich liegt, der dauerhaft ein elektrisches Feld aufweist.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zahl e gleich 1, die Zahl g gleich 1 ist und die Zahl h gleich 1 ist, Dies entspricht einer Signalfolge, bei der eine einzige Null entlang der Zinken der Separationselektrode wandert. Bei einer kammförmigen Separationselektrode mit 5 Zinken ergeben sich folgende Signalfolgen:
    1. 1. Takt: 01111
    2. 2. Takt: 10111
    3. 3. Takt: 11011
    4. 4. Takt: 11101
    5. 5. Takt: 11110
    6. 6. Takt und alle weiteren Takte: 11111
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Signalfolge durch ein Schieberegister realisiert wird. Das Schieberegister ist in dem programmierbaren Element realisiert. Die in den Speicherelementen des Scheiberegisters gespeicherte Folge von Nullen und Einsen wandert bei jedem Takt um eine vorgegebene Anzahl an Schritten weiter. Werte am Ende des Schieberegisters werden hierbei wieder an den Anfang des Schieberegisters zurückgeführt. Die Werte der Speicherelemente des Schieberegisters bilden zugleich die Ausgangssignale des programmierbaren Elements.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Signalfolge bei jedem Takt des Elements, zu dem eine Änderung der Ausgangssignale vorgesehen ist, aus einem Speicher ausgelesen wird, Anstelle eines Schieberegisters bietet es sich an, in dem programmierbaren Element einen Speicher vorzusehen, in dem die bei jedem Takt anzuwendende Signalfolge gespeichert ist. Diese Signalfolge wird bei jedem Takt aus dem Speicher ausgelesen und an den Ausgängen des programmierbaren Elements ausgegeben.
  • Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
    • Fig. 1
    schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuervorrichtung,
    Fig. 2
    schematisch die Funktionsweise eines aus dem Stand der Technik bekannten synchronous ion shield Massenseparators,
    Fig. 3
    schematisch die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung,
    Fig. 4
    schematisch die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Verwendung eines Schieberegisters und
    Fig. 5
    schematisch die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Verwendung eines Speichers.
  • Die in der Fig. 1 dargestellte aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuervorrichtung weist zur Erzeugung eines Referenzfrequenzsignals einen Referenzoszillator 1 auf. Das Referenzfrequenzsignal des Referenzoszillators 1 wird von einem Direct Digital Synthesizer 2 in eine vorgegebene Frequenz umgewandelt. Nach Tiefpassfilterung des Frequenzsignals des Direct Digital Synthesizers 2 durch einen Tiefpass 3 wird das nun von unerwünschten Frequenzanteilen befreite Frequenzsignal von einem Komparator 4 verarbeitet. Der Komparator 4 gibt zwei identische Ausgangssignale aus, von denen eines durch einen Inverter 5 invertiert wird. Das invertierte und das nicht invertierte Signal dienen der Ansteuerung einer kammförmigen Separationselektrode 6. Die Separationselektrode 6 weist eine Mehrzahl an Zinken 7 und einen Kammrücken 8 auf. Das nicht invertierte Signal dient der Ansteuerung des ersten und jedes zweiten weiteren Zinkens 7 der Separationselektrode 6. Das invertierte Signal dient der Ansteuerung des zweiten und jedes zweiten weiteren Zinkens 7 der Separationselektrode 6.
  • Aus Fig. 2 ist die genauere Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Separationselektrode 6 ersichtlich. Der Kammrücken 8 der Separationselektrode 6 ist über eine Spannungsquelle 9 und mehrere Schalter 10 mit den Zinken 7 der Separationselektrode 6 verbunden. Hierbei ist jedem Zinken 7 ein Schalter 10 zugeordnet. Falls alle Schalter 10 geöffnet sind, können sich parallel zum Kammrücken 6 bewegende Ionen ungehindert zwischen dem Kammrücken 6 und den Zinken 7 fortbewegen. Wird einer der Schalter 10 geschlossen, so liegt zwischen dem entsprechenden Zinken 7 und dem Kammrücken 6 eine durch die Spannungsquelle 9 vorgegebene Spannung an. Das aus dieser Spannung resultierende elektrische Feld zwischen dem entsprechenden Zinken 7 und dem Kammrücken 6 ist in der Lage, sich parallel zum Kammrücken 6 zwischen dem Kammrücken 6 und den Zinken 7 fortbewegende Ionen abzulenken. In der Regel kollidieren diese Ionen mit den Strukturen der Separationselektrode 6 und stehen einer weiteren Analyse nicht zur Verfügung,
  • Die den Zinken 7 der Separationselektrode 6 zugeordneten Schalter 10 werden, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, durch das invertierte und das nicht invertierte Signal des Komparators 4 gesteuert. Hieraus ergibt sich, dass an jedem zweiten Zinken 7 eine Spannung anliegt und an den restlichen Zinken 7 keine Spannung anliegt. Diese Signalfolge aus abwechselnd angelegter Spannung und nicht angelegter Spannung an den Zinken wird mit der durch den Direct Digital Synthesizer 2 vorgegebenen Frequenz invertiert. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die an den Zinken 7 anliegende Signalfolge mit jedem Takt der Frequenz des Direct Digital Synthesizers 2 einen Schritt weiter Richtung Ausgang der Separationselektrode 6 wandert.
  • In der Fig. 2 ist der Ausgang, wie den eingezeichneten Pfeilen zu entnehmen ist, die mögliche Wege der zu analysierenden Ionen exemplarisch beschreiben, am oberen Ende der Separationselektrode angeordnet. Ionen, die die gleiche Geschwindigkeit haben, wie die an den Zinken 7 entlang wandernde Signalfolge, können, wenn beim Eintreten in die Separationselektrode 6 an dem ersten Zinken keine Spannung angelegt ist, d. h. sie in der Signalfolge zunächst auf eine Null treffen, diesem durch die Null repräsentierten feldfreien Bereich durch die Separationselektrode 6 folgen und gelangen so zum Ausgang der Separationselektrode 6. Ionen mit einer geringeren oder höheren Geschwindigkeit als die der Signalfolge treffen innerhalb der Separationselektrode 6 auf einen Bereich, in dem sie durch ein Feld abgelenkt werden, welches durch eine an dem Zinken 7 in diesem Bereich angelegte Spannung hervorgerufen wird, und gelangen nicht zum Ausgang der Separationselektrode 6. Eine nicht dargestellte Möglichkeit der Ansteuerung der Zinken 7 besteht darin, dass das vom Komparator 4 stammende invertierte Signal und das nichtinvertierte Signal jeweils nach eventueller Verstärkung als Spannungssignal direkt an die Zinken 7 angelegt werden. Bei dieser nicht dargestellten Ausführung sind die Spannungsquelle 9 und die Schalter 10 nicht erforderlich.
  • Aus Fig. 3 wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung ersichtlich. Ebenso wie die aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuervorrichtung der Fig. 1 weist auch die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung einen Referenzoszillator 1, einen Direct Digital Synthesizer 2, einen Tiefpass 3 und einen Komparator 4 auf, die in gleicher Weise wie in Fig. 1 verschaltet sind. Der Komparator 4 der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung gibt jedoch nur ein einziges Ausgangssignal aus, welches einem programmierbaren Element 11 zugeführt wird. Das programmierbare Element 11 weist eine der Anzahl der Zinken 7 der kammförmigen Separationselektrode 6 entsprechende Anzahl von Ausgangssignalen auf. Dies bedeutet, dass jedem Zinken 7 der Separationselektrode 6 ein Ausgangssignal des programmierbaren Elements 11 zugeordnet ist und daher jeder Zinken 7 über das entsprechende Ausgangssignal des programmierbaren Elements 11 einzeln steuerbar ist.
  • Die Fig. 4 zeigt ein programmierbares Element 11 bei dem das erfindungsgemäße Verfahren durch ein Schieberegister realisiert ist. Das Schieberegister innerhalb des programmierbaren Elements 11 weist hierbei eine Anzahl an Speicherelementen 12 auf, die der Anzahl der Ausgänge 13 des programmierbaren Elements 11 entspricht. In den Speicherelementen 12 des programmierbaren Elements 11 ist die gewünschte Signalfolge gespeichert. Im vorliegenden Fall eine einfache Folge abwechselnder Nullen und Einsen. Bei jedem Takt des programmierbaren Elements 11, zu dem eine Änderung der Ausgangssignale vorgesehen ist, wird der in jedem Speicherelement 12 des Schieberegisters gespeicherte Wert an das nächste Speicherelement 12 des Schieberegisters weitergegeben. Der in dem letzten Speicherelement 12 des Schieberegisters gespeicherte Wert wird hierbei an das erste Speicherelement 12 des Schieberegisters weitergegeben.
  • Die Fig. 5 zeigt ein programmierbares Speicherelement 11, das einen Speicher 14 aufweist. In dem Speicher 14 werden die von dem programmierbaren Element 11 auszugebenden Signalfolgen gespeichert. Bei jedem Takt des programmierbaren Elements, in dem eine Änderung der Ausgangssignale vorgesehen ist, wird eine Signalfolge aus dem Speicher 14 ausgelesen und über die Speicherelemente 12 und die Ausgänge 13 ausgegeben. Auf diese Weise können von dem programmierbaren Element 11 nahezu beliebige Signalfolgen ausgegeben werden. Im vorliegenden Beispiel ist eine einfache Signalfolge abwechselnder Nullen und Einsen dargestellt.

Claims (13)

  1. Ansteuervorrichtung für einen synchronous ion shield Massenseparator mit einem Referenzoszillator (1), einem Direct Digital Synthesizer (2), einem Tiefpass (3) und einem Komparator (4), wobei der synchronous ion shield Massenseparator eine kammförmige Separationselektrode (6) aufweist, der Referenzoszillator (1) dem Direct Digital Synthesizer (2) eine Referenzfrequenz zur Verfügung stellt, das von dem Direct Digital Synthesizer (2) erzeugte Ausgangssignal von dem Tiefpass (3) gefiltert wird und das Ausgangssignal des Tiefpasses (3) von dem Komparator (4) verarbeitet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Ausgangssignal des Komparators (4) von einem programmierbaren Element (11) in eine der Anzahl der Zinken (7) der kammförmigen Separationselektrode (6) entsprechende Anzahl von Ausgangssignalen umgewandelt wird.
  2. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das programmierbare Element (11) ein programmierbares Logikelement ist, insbesondere in Form eines Field Programmable Gate Array (FPGA) oder in Form eines Complex Programmable Logic Device (CPLD) ist, oder dass das programmierbare Element (11) ein Mikrocontroller ist, insbesondere in Form eines digitalen Signalprozessors (DSP).
  3. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators, wobei der synchronous ion shield Massenseparator eine kammförmige Separationselektrode (6) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ausgangssignale einer Ansteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Ansteuerung der Zinken (7) der kammförmigen Separationselektrode (6) verwendet werden.
  4. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Ansteuervorrichtung eine Signalfolge aufweisen, bei der die Signalfolge abwechselnd aus n Nullen und m Einsen besteht, wobei alle k Takte des programmierbaren Elements (11) die Signalfolge um j Schritte weiterwandert, wobei n, m, k und j natürliche Zahlen größer Null sind und wobei n größer oder gleich dem Quotienten (j mod (n+m))/k ist.
  5. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl n gleich 2, die Zahl m gleich 2, die Zahl k gleich 1 ist und die Zahl j gleich 2 ist.
  6. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl n gleich 2, die Zahl m gleich 2, die Zahl k gleich 1 ist und die Zahl j gleich 1 ist.
  7. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl n gleich 1, die Zahl m gleich 1, die Zahl k gleich 1 ist und die Zahl j gleich 1 ist.
  8. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl m größer als die Zahl n ist.
  9. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl n gleich 3 und die Zahl m gleich 5 ist.
  10. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Ansteuervorrichtung eine Signalfolge aufweisen, bei der die Signalfolge aus e Nullen gefolgt von Einsen besteht, wobei alle g Takte des programmierbaren Elements (11) die Signalfolge um h Schritte weiterwandert, wobei e, g und h natürliche Zahlen größer Null sind und wobei e größer oder gleich dem Quotienten h/g ist.
  11. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl e gleich 1, die Zahl g gleich 1 ist und die Zahl h gleich 1 ist.
  12. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfolge durch ein Schieberegister realisiert wird.
  13. Verfahren zur Ansteuerung eines synchronous ion shield Massenseparators nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfolge bei jedem Takt des Elements (11), zu dem eine Änderung der Ausgangssignale vorgesehen ist, aus einem Speicher (14) ausgelesen wird.
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