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EP0572687B1 - Ionenfilter, insbesondere für ein Massenspektrometer, sowie Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Ionenfilter, insbesondere für ein Massenspektrometer, sowie Verfahren zur Herstellung desselben Download PDF

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Publication number
EP0572687B1
EP0572687B1 EP19920108815 EP92108815A EP0572687B1 EP 0572687 B1 EP0572687 B1 EP 0572687B1 EP 19920108815 EP19920108815 EP 19920108815 EP 92108815 A EP92108815 A EP 92108815A EP 0572687 B1 EP0572687 B1 EP 0572687B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rod
ion filter
abutment surfaces
filter according
arrangements
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP19920108815
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0572687A1 (de
Inventor
Urs Steiner
Nigel Patrick Gore
Helmut Rother
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.)
Thermo Finnigan LLC
Original Assignee
Finnigan Corp
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 Finnigan Corp filed Critical Finnigan Corp
Priority to EP19920108815 priority Critical patent/EP0572687B1/de
Priority to DE59204438T priority patent/DE59204438D1/de
Priority to US08/054,523 priority patent/US5389785A/en
Priority to JP12449493A priority patent/JP3751644B2/ja
Publication of EP0572687A1 publication Critical patent/EP0572687A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0572687B1 publication Critical patent/EP0572687B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/068—Mounting, supporting, spacing, or insulating electrodes
    • 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
    • H01J49/4255—Device types with particular constructional features

Definitions

  • the invention relates to an ion filter for a mass spectrometer or a mass analyzer, and a mass spectrometer with such an ion filter.
  • the invention further relates to a method for producing an ion filter.
  • Mass spectrometers for examining and detecting ions of certain mass numbers have an ion source, an ion detection device and an ion filter.
  • the latter can be designed as a multipole, in particular a quadrupole.
  • the ions to be analyzed are directed through the multipole on their way to the detection device. Within this, the ions experience a certain deflection.
  • four mutually directed, elongated profiled surfaces are provided which have different electrical potentials. Hyperbolic surfaces in cross section are particularly favorable for the formation of the desired electric field between the pole faces. In some cases, circular surfaces are used in cross section.
  • an ion filter designed as a quadrupole which consists of a total of two or four elongated segments. These are joined together in the area of interlocking projections and depressions. This results in a certain centering of the segments relative to one another during assembly.
  • the production of the protrusions and depressions is extremely difficult in terms of production technology, taking into account the required small tolerances. So each part must be machined in the area of mutually parallel, but facing surfaces and also surfaces perpendicular to each other. The resulting best possible dimensional tolerances are not acceptable.
  • An embodiment with four segments without surfaces perpendicular to one another is shown in the same document. However, the existing stop surfaces do not cause the segments to be centered.
  • the object of the present invention is to provide an ion filter and a method for producing the same, as a result of which the achievable dimensional tolerances and thus the achievable measurement accuracy are improved in later operation.
  • the method according to the invention is characterized in that the hyperbolic rod surface and the abutment surfaces of each rod arrangement are abraded to a defined dimension by contact with a common, appropriately profiled tool, in particular a grinding tool, without an undercut being formed.
  • the areas of the ion filter that are critical with regard to their tolerances are the hyperbolic area for forming the electrical field and the stop faces in the area of which the rod arrangements abut one another.
  • the invention enables the processing of these surfaces, insofar as they belong to a rod arrangement, with one and the same tool and in each case in the same working step.
  • the hyperbolic surface and the stop surfaces of a rod arrangement can be machined with a correspondingly profiled grinding wheel.
  • the design enables the surfaces and the grinding wheel to be removed evenly, resulting in the highest possible machining precision.
  • the formation of the ion filter as a longitudinally divided quadrupole with four rod arrangements to be joined together is particularly advantageous.
  • other numbers of poles or other numbers of rod arrangements for example two with two poles each, are also possible.
  • Each rod arrangement has a hyperbolic surface in cross section and stop surfaces arranged on both sides thereof.
  • the rod arrangements are largely largely identical.
  • the stop surfaces provided on one side of the hyperbolic surface correspond to those arranged on the other side.
  • the hyperbolic surface and the stop surfaces of a rod arrangement are arranged with respect to one another in particular in such a way that they can be reached from one and the same direction by a common grinding tool.
  • the ion filter according to the invention requires no further post-processing and has the highest mechanical precision. A subsequent coating is not necessary. The function of the ion filter is significantly improved.
  • the rod arrangements advantageously each consist of an electrically conductive material, in particular a metal or a metal alloy with a low coefficient of thermal expansion.
  • the rod arrangements are electrically insulated from one another.
  • the stop surfaces belonging to a rod arrangement are preferably electrically insulated from the stop surfaces lying between two rod arrangements, for example by insulating pieces made of quartz.
  • the stop surfaces do not extend over the entire length of the rod arrangements. Rather, several, in particular four, insulating pieces with supporting pieces and spaced one behind the other are arranged in the longitudinal direction of a rod arrangement.
  • the support pieces have the necessary stop surfaces.
  • the spacing provided between the insulating pieces and thus between the abutting abutment surfaces means that the interior of the ion filter between the rod arrangements remains accessible, as a result of which good high vacuum conditions are created, that is to say that the molecules are pumped out quickly.
  • FIGS. 1 and 2 There, an ion filter 10 for a mass spectrometer is shown.
  • the ion filter is designed as a quadrupole with four rod arrangements 11 each of identical design. These lie against one another in the region of stop faces 12.
  • FIGS. 2, 4, 5 show a single rod arrangement 11.
  • This has an elongated, solid profile rod 13 with a cross-sectionally hyperbolic rod surface 14 (hyperbolic surface).
  • the hyperbolic surfaces 14 come to lie inside the finished assembled ion filter 10 (FIG. 2). Between them and essentially parallel to the longitudinal axis 15, the ions emitted by an upstream ion source move (in FIGS. 2, 4, 5 perpendicular to the plane of the drawing).
  • the hyperbolic surface 14 covers an angle of somewhat less than 90 ° in the direction transverse to the longitudinal axis 15.
  • the stop surfaces 12 are arranged on both sides.
  • the profiled rod 13 has four stop bodies 16 which follow one another at a distance.
  • a surface of the stop body 16 lying in the imaginary continuation of the hyperbolic surface 14 is designed as a stop surface 12.
  • insulating pieces 17 are provided perpendicular to the stop bodies 16. In the upper region, that is to say in an imaginary continuation of the hyperbolic surface 14 to the outside, they bear a support piece 18 with a corresponding stop surface 12.
  • the insulating pieces 17 are arranged relative to the interior of the ion filter 10 in a special way.
  • the ions passing through the filter are shielded from the insulating pieces 17.
  • the insulating pieces 17 cannot be hit and charged by ions. Distortion of the electric field between the hyperbolic surfaces 14 is avoided.
  • the insulating pieces 17 are preferably made of quartz, of approximately cuboid shape and embedded in the cross section of the profile rod 13 in the region of depressions 19.
  • the profile rod 13 is made in one piece with the stop bodies 16 from metal.
  • a metal or an alloy with a low coefficient of thermal expansion is preferably used. It is particularly advantageous to use molybdenum produced in a sintering process or a Ni / Fe alloy with a proportion of 36% Ni available under the trade name Vacodil from Vacuumschmelze GmbH.
  • the insulating piece 17 is with the profile rod 13 or in the recess 19th glued.
  • the production of the partial body 11 from metal allows good fine machining.
  • the insulating pieces 17 made of quartz are small in relation to the rest of the partial body 11, so that only small dielectric losses can occur.
  • the stop surfaces 12 on the stop bodies 16 and the support pieces 18 are designed in a special way, cf. 5.
  • the purpose of the stop surfaces is to facilitate self-centering when the individual rod arrangements 11 are joined together.
  • the stop surfaces 12 on the stop body 16 therefore correspond exactly to the contour of the stop surfaces 12 on the support pieces 18. Pairings of convexly shaped surfaces on the one hand, here support pieces 18, are favorable. and concave shaped stop surfaces on the other hand, here stop body 16.
  • FIG. 2 shows the abutting stop surfaces 12 in each case.
  • the stop surfaces 12 of the support pieces 18 are designed as partial surfaces 20, 21 which are angled relative to one another and which adjoin one another in the region of an edge 22.
  • the edge 22 extends parallel to the longitudinal axis 15 into the image plane (FIG. 5).
  • the stop bodies 16 on the stop surfaces 12 have partial surfaces 23, 24 which are angled relative to one another and which in turn adjoin one another in the region of an angle 25.
  • the partial surfaces 20, 21 on the one hand and 23, 24 on the other hand are aligned such that bisectors 26, 27 lying between them are aligned at an angle of 90 ° to one another.
  • the hyperbolic surface 14 and the partial surfaces 20, 21, 23, 24 are processed in one operation in the manufacture of the ion filter.
  • dashed lines are drawn outside the corresponding areas and parallel to them.
  • An appropriately profiled grinding wheel is preferably used as the machining tool, which is lowered "frontally" onto the hyperbolic surface 14 or, according to the orientation of the arrows 28, onto the rod arrangement 11, more precisely onto the aforementioned hyperbolic and partial surfaces.
  • the rod arrangement 11 is expediently created beforehand as an investment casting and the insulating pieces 17 with the support pieces 18 glued to it. The resulting, prepared rod arrangement 11 is then removed to the final dimension in the manner described.
  • critical areas are the partial areas 21 and 23. These must have a certain minimum angle of inclination with respect to the direction 28. Otherwise exact processing is no longer possible.
  • the angle must be greater than zero, in practice it should be at least 5 °. In the present case there is an angle of 135 ° between the partial surfaces 20 and 21. This corresponds to an angle between the direction 28 and the partial surface 21 of 22.5 °. Other possible angles for the partial surfaces 20, 21 to one another are between 95 ° and 175 °. The possible angles between the direction 28 and the partial surface 21 result accordingly.
  • the angle between the partial surfaces 23, 24 forming a concave surface is analogous to this. This angle always corresponds to the angle between the partial surfaces 20, 21. Otherwise the stop surfaces would not abut one another.
  • each support piece 18 has an internal thread 29.
  • the stop bodies 16 are provided with a continuous bore 20 in the direction of the bisector 27. By means of threaded screws 31 inserted into the bores 30 (not shown in FIG. 5), the stop bodies 16 are firmly screwed to the support pieces 18 of the adjacent rod arrangements 11.
  • the action of the abovementioned stop surfaces 12 or partial surfaces 20, 21, 23, 24 results self-centering of the rod arrangements 11 against one another. It is not necessary to align the parts precisely with one another, for example by means of so-called jigging.
  • the described arrangement of the surfaces 14, 12, 20, 21, 23, 24 to be processed has a further advantage. If damage to the surfaces occurs during operation, the surfaces can be reground to a certain extent without the position and arrangement of the surfaces changing relative to one another. There are only slight shifts in the position of the internal thread 29 and the bore 30 relative to the bisectors 26, 27. However, these are irrelevant in view of the tolerances within the screw connection.
  • connection areas with corresponding stop bodies 16 and insulating pieces 17 are provided over the length of the ion filter 10. A clear distance is provided between each of these (seen in the longitudinal direction) so that the profiled bars 13 or the hyperbolic surfaces 14 are not completely enclosed and good high vacuum conditions are created.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ionenfilter, für ein Massenspektrometer oder einen Massenanalysator, und einen Massenspektrometer mit einem derartigen Ionenfilter. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ionenfilters.
  • Massenspektrometer zur Untersuchung und zum Nachweis von Ionen bestimmter Massenzahlen weisen eine Ionenquelle, eine Ionennachweiseinrichtung sowie ein Ionenfilter auf. Letzteres kann als Multipol, insbesondere Quadrupol, ausgebildet sein. Die zu analysierenden Ionen werden auf ihrem Weg zur Nachweiseinrichtung durch den Multipol hindurchgelenkt. Innerhalb desselben erfahren die Ionen eine bestimmte Ablenkung. Bei Verwendung eines Quadrupols sind vier gegeneinander gerichtete, langgestreckte profilierte Flächen vorgesehen, die unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen. Besonders günstig für die Ausbildung des gewünschten elektrischen Feldes zwischen den Polflächen sind im Querschnitt hyperbelförmige Flächen. Teilweise werden auch im Querschnitt kreisförmige Flächen verwendet.
  • Für bestimmte Anwendungsfälle kommt es darauf an, die Abmessungstoleranzen des fertigen Ionenfilters möglichst klein zu halten. Angestrebt sind Toleranzen von etwa einem Mikrometer (1/1000 mm).
  • Aus der DE-OS 26 25 660 (entspricht US 4 158 771) ist ein als Quadrupol ausgebildetes Ionenfilter bekannt, das aus insgesamt zwei oder vier langgestreckten Segmenten besteht. Diese sind im Bereich ineinandergreifender Vorsprünge und Vertiefungen zusammengefügt. Dadurch ergibt sich beim Zusammenbau eine gewisse Lagezentrierung der Segmente zueinander. Produktionstechnisch äußerst schwierig ist die Ausbildung der Vorsprünge und Vertiefungen unter Berücksichtigung der geforderten geringen Toleranzen. So muß jedes Teil im Bereich einander paralleler, aber abgewandter Flächen und außerdem zueinander senkrechter Flächen bearbeitet werden. Die sich ergebenden, bestmöglichen Abmessungstoleranzen sind nicht akzeptabel. In derselben Schrift ist zwar auch eine Ausführungsform mit vier Segmenten ohne zueinander senkrechte Flächen gezeigt. Die vorhandenen Anschlagflächen bewirken aber keine Lagezentrierung der Segmente.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ionenfilter bzw. ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, wodurch die erzielbaren Abmessungstoleranzen und damit die erzielbare Meßgenauigkeit im späteren Betrieb verbessert werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe weist das erfindungsgemäße Ionenfilter folgende Merkmale auf:
    • a) Eine längsgeteilte Baugruppe mit einer mittigen Längsachse weist mehrere langgestreckte Stabanordnungen auf,
    • b) jede der Stabanordnungen weist eine langgestreckte und im Querschnitt gerundete Staboberfläche auf,
    • c) die Staboberfläche erstreckt sich in Richtung der Längsachse mit einer imaginären Bearbeitungsrichtung senkrecht auf einer Spitze der gerundeten Staboberfläche,
    • d) jede der Stabanordnungen weist außerdem Anschlagflächen auf, die zur Verbindung mit korrespondierenden Anschlagflächen benachbarter Stabanordnungen vorgesehen sind,
    • e) dabei sind die Anschlagflächen so ausgebildet, daß die Stabanordnungen relativ zueinander durch eine formschlüssige Anlage der Anschlagflächen in einer stabilen Position ausgerichtet sind,
    • f) die Staboberfläche und die Anschlagflächen jeder Stabanordnung sind so ausgebildet und angeordnet, daß keine Hinterschneidung in einem willkürlich ausgewählten Teilbereich der Staboberfläche und der Anschlagflächen aus einer Richtung parallel zur Bearbeitungsrichtung sichtbar ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die hyperbolische Staboberfläche und die Anschlagflächen einer jeden Stabanordnung unter Anlage an einem gemeinsamen, entsprechend profilierten Werkzeug, insbesondere Schleifwerkzeug, auf ein definiertes Maß abgetragen werden, ohne daß eine Hinterschneidung gebildet wird.
  • Die bezüglich ihrer Toleranzen kritischen Flächen des Ionenfilters sind die Hyperbelfläche zur Ausbildung des elektrischen Feldes sowie die Anschlagflächen, in dessen Bereich die Stabanordnungen aneinander anliegen. Die Erfindung ermöglicht die Bearbeitung dieser Flächen, soweit sie zu einer Stabanordnung gehören, mit ein und demselben Werkzeug und jeweils in demselben Arbeitsgang. So können mit einer entsprechend profilierten Schleifscheibe zugleich die Hyperbelfläche und die Anschlagflächen einer Stabanordnung bearbeitet werden. Die Konstruktion ermöglicht einen gleichmäßigen Abtrag der Flächen und der Schleifscheibe und dadurch bedingt allerhöchste Präzision der Bearbeitung.
  • Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Ionenfilters als längsgeteilter Quadrupol mit vier zusammenzufügenden Stabanordnungen. Grundsätzlich sind auch andere Polzahlen oder andere Zahlen der Stabanordnungen, etwa zwei mit je zwei Polen, möglich. Jede Stabanordnung weist eine im Querschnitt hyperbelförmige Fläche sowie beidseitig hiervon angeordnete Anschlagflächen auf. Die Stabanordnungen sind jeweils weitgehend identisch ausgebildet. Entsprechend korrespondieren die auf der einen Seite der Hyperbelfläche vorgesehenen Anschlagflächen mit den auf der anderen Seite angeordneten. Die Hyperbelfläche und die Anschlagflächen einer Stabanordnung sind insbesondere bezüglich ihrer Neigung zueinander so angeordnet, daß sie aus ein und derselben Richtung durch ein gemeinsames Schleifwerkzeug erreichbar sind. Das erfindungsgemäße lonenfilter erfordert keine weitere Nachbearbeitung und weist höchste mechanische Präzision auf. Eine nachträgliche Beschichtung ist nicht erforderlich. Die Funktion des Ionenfilters ist erheblich verbessert.
  • Vorteilhafterweise bestehen die Stabanordnungen jeweils aus elektrisch leitendem Werkstoff, insbesondere einem Metall oder einer Metallegierung mit einem niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Die Stabanordnungen sind gegeneinander elektrisch isoliert. Vorzugsweise sind von den zwischen zwei Stabanordnungen liegenden Anschlagflächen die zu einer Stabanordnung gehörenden Anschlagflächen gegen dieses elektrisch isoliert, etwa durch Isolierstücke aus Quarz.
  • Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Anschlagflächen nicht über die gesamte Länge der Stabanordnungen. Vielmehr sind in Längsrichtung einer Stabanordnung mehrere, insbesondere vier, Isolierstücke mit Auflagestücken und mit Abstand aufeinanderfolgend angeordnet. Dabei weisen die Auflagestücke die erforderlichen Anschlagflächen auf. Durch die vorgesehenen Abstände zwischen den Isolierstücken und damit zwischen den aneinander anliegenden Anschlagflächen bleibt der Innenraum des Ionenfilters zwischen den Stabanordnungen zugänglich, wodurch gute Hochvakuumbedingungen geschaffen werden, das heißt, ein schnelles Abpumpen der Moleküle gewährleistet wird.
  • Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen lonenfilters sowie des Verfahrens sind den Ansprüchen und der Beschreibung entnehmbar.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ionenfilters,
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Ionenfilters gemäß Fig. 1, teilweise geschnitten,
    Fig. 3
    eine Seitenansicht eines von vier Stabanordnungen zur Bildung des Ionenfilters,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf eine Stirnseite der Stabanordnung gemäß Fig. 3, teilweise geschnitten,
    Fig. 5
    eine vergrößerte Ansicht entsprechend Fig. 4.
  • Es wird zunächst Bezug genommen auf die Fig. 1 und 2. Dort ist ein Ionenfilter 10 für ein Massenspektrometer gezeigt. Das Ionenfilter ist als Quadrupol mit vier jeweils identisch gestalteten Stabanordnungen 11 ausgebildet. Diese liegen im Bereich von Anschlagflächen 12 aneinander.
  • Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine einzelne Stabanordnung 11. Diese weist einen langgestreckten, massiven Profilstab 13 mit einer im Querschnitt hyperbelförmigen Staboberfläche 14 (Hyperbelfläche) auf. Die Hyperbelflächen 14 kommen im fertig zusammengesetzten Ionenfilter 10 ins Innere gerichtet zu liegen (Fig. 2). Zwischen ihnen und im wesentlichen parallel zur Längsachse 15 bewegen sich die von einer vorgeordneten Ionenquelle emittierten Ionen (in den Fig. 2, 4, 5 senkrecht zur Zeichnungsebene).
  • Die Hyperbelfläche 14 deckt in Richtung quer zur Längsachse 15 einen Winkel von etwas weniger als 90° ab. In gedachter Fortsetzung der Hyperbelfläche 14 quer zur Längsachse 15 sind beidseitig die Anschlagflächen 12 angeordnet. Der Profilstab 13 weist hierzu vier und mit Abstand aufeinanderfolgende Anschlagkörper 16 auf. Eine in gedachter Fortsetzung der Hyperbelfläche 14 liegende Fläche des Anschlagkörpers 16 ist als Anschlagfläche 12 ausgebildet.
  • Senkrecht zu den Anschlagkörpern 16 sind, in der Fig. 4 rechts vom Profilstab 13, vier Isolierstücke 17 vorgesehen. Diese tragen im oberen Bereich, das heißt in gedachter Fortsetzung der Hyperbelfläche 14 nach außen, ein Auflagestück 18 mit einer entsprechenden Anschlagfläche 12.
  • In Richtung der Längsachse 15 sind zwischen den Isolierstükken 17 jeweils Abstände vorgesehen. Durch thermische Ausdehnung hervorgerufene Spannungen können so klein gehalten werden.
  • Die Isolierstücke 17 sind relativ zum Inneren des Ionenfilters 10 in besonderer Weise angeordnet. Die das Filter passierenden Ionen sind gegenüber den Isolierstücken 17 abgeschirmt. Von einer Mittelachse (Längsachse 15) aus gesehen sind die Isolierstücke 17 durch die Hyperbelflächen 14 verdeckt angeordnet. Die Isolierstücke 17 können so nicht von lonen getroffen und aufgeladen werden. Eine Verzerrung des elektrischen Feldes zwischen den Hyperbelflächen 14 wird vermieden.
  • Die Isolierstücke 17 sind vorzugsweise aus Quarz gefertigt, von etwa quaderförmiger Gestalt und in den Querschnitt des Profilstabs 13 im Bereich von Vertiefungen 19 eingelassen. Der Profilstab 13 ist mit den Anschlagkörpern 16 einstückig aus Metall gefertigt. Vorzugsweise findet ein Metall oder eine Legierung mit einem niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten Anwendung. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von in einem Sinterprozeß hergestelltem Molybdän oder einer unter dem Handelsnamen Vacodil der Firma Vacuumschmelze GmbH erhältlichen Ni-/Fe-Legierung mit einem Anteil von 36 % Ni. Das Isolierstück 17 ist mit dem Profilstab 13 bzw. in der Vertiefung 19 verklebt. Die Fertigung des Teilkörpers 11 aus Metall erlaubt eine gute Feinstbearbeitung. Die aus Quarz bestehenden Isolierstücke 17 sind im Verhältnis zum übrigen Teilkörper 11 klein, so daß nur geringe dielektrische Verluste auftreten können.
  • Die Anschlagflächen 12 an den Anschlagkörpern 16 und den Auflagestücken 18 sind in besonderer Weise gestaltet, vgl. Fig. 5. Zweck der Anschlagflächen ist eine erleichterte Selbstzentrierung beim Zusammenfügen der einzelnen Stabanordnungen 11. Die Anschlagflächen 12 am Anschlagkörper 16 passen dementsprechend genau zur Kontur der Anschlagflächen 12 an den Auflagestükken 18. Günstig sind Paarungen aus konvex gestalteten Flächen einerseits, hier Auflagestücke 18, und konkav gestalteten Anschlagflächen andererseits, hier Anschlagkörper 16. Fig. 2 zeigt die jeweils aneinanderliegenden Anschlagflächen 12.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Anschlagflächen 12 der Auflagestücke 18 als gegeneinander abgewinkelte Teilflächen 20, 21 ausgebildet, welche im Bereich einer Kante 22 aneinandergrenzen. Die Kante 22 erstreckt sich parallel zur Längsachse 15 in die Bildebene (Fig. 5) hinein. Analog hierzu weisen die Anschlagkörper 16 an den Anschlagflächen 12 gegeneinander abgewinkelte Teilflächen 23, 24 auf, die wiederum im Bereich eines Winkels 25 aneinandergrenzen. Die Teilflächen 20, 21 einerseits und 23, 24 andererseits sind so ausgerichtet, daß jeweils zwischen ihnen liegende Winkelhalbierende 26, 27 in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind.
  • Die Hyperbelfläche 14 und die Teilflächen 20, 21, 23, 24 (zugleich Anschlagflächen 12) werden bei der Herstellung des Ionenfilters in einem Arbeitsgang bearbeitet. Zur Verdeutlichung sind außerhalb der entsprechenden Flächen und parallel zu diesen gestrichelte Linien gezeichnet. Als Bearbeitungswerkzeug wird vorzugsweise eine entsprechend profilierte Schleifscheibe verwendet, die "frontal" auf die Hyperbelfläche 14 bzw. gemäß Ausrichtung der Pfeile 28 auf die Stabanordnung 11, genauer auf die zuvor genannten Hyperbel- und Teilflächen abgesenkt wird. Zweckmäßigerweise wird zuvor die Stabanordnung 11 als Feingußteil erstellt und die Isolierstücke 17 mit den Auflagestücken 18 hiermit verklebt. Die sich ergebende, vorbereitete Stabanordnung 11 wird dann in der beschriebenen Weise auf das endgültige Maß abgetragen.
  • Damit die beschriebene Bearbeitung mit nur einem Werkzeug für alle Flächen überhaupt möglich ist, müssen diese, aus einer bestimmten Richtung gesehen, sichtbar sein bzw. dürfen keine Hinterschneidungen aufweisen. Im vorliegenden Falle ist dies die durch die Pfeile 28 vorgegebene Richtung. Grundsätzlich kommt es auf die Richtung an, aus welcher das bearbeitende Werkzeug auf die zu bearbeitenden Flächen abgesenkt wird.
  • Kritische Flächen sind in diesem Falle die Teilflächen 21 und 23. Diese müssen gegenüber der Richtung 28 einen gewissen Mindest-Neigungswinkel aufweisen. Anderenfalls ist eine genaue Bearbeitung nicht mehr möglich. Theoretisch muß der Winkel größer Null sein, in der Praxis sollte er mindestens 5° betragen. Im vorliegenden Falle liegt zwischen den Teilflächen 20 und 21 ein Winkel von 135°. Dies entspricht einem Winkel zwischen der Richtung 28 und der Teilfläche 21 von 22,5°. Weitere mögliche Winkel für die Teilflächen 20, 21 zueinander liegen zwischen 95° und 175°. Die möglichen Winkel zwischen der Richtung 28 und der Teilfläche 21 ergeben sich entsprechend.
  • Analog hierzu ist der Winkel zwischen den eine konkave Fläche bildenden Teilflächen 23, 24. Dieser Winkel entspricht stets dem Winkel zwischen den Teilflächen 20, 21. Anderenfalls würden die Anschlagflächen nicht aneinander anliegen.
  • Die Stabanordnungen 11 werden über Schraubverbindungen fest miteinander verbunden. Zu diesem Zweck weist jedes Auflagestück 18 ein Innengewinde 29 auf. Die Anschlagkörper 16 sind mit einer durchgehenden Bohrung 20 in Richtung der Winkelhalbierenden 27 versehen. Mittels in die Bohrungen 30 eingesetzter Gewindeschrauben 31 (in der Fig. 5 nicht gezeigt) werden die Anschlagkörper 16 mit den Auflagestücken 18 der benachbarten Stabanordnungen 11 fest verschraubt. Bei der Herstellung der Schraubverbindung erfolgt durch die Wirkung der zuvor beschriebenen Anschlagflächen 12 bzw. Teilflächen 20, 21, 23, 24 eine Selbstzentrierung der Stabanordnungen 11 gegeneinander. Ein genaues Ausrichten der Teile gegeneinander, etwa durch ein sogenanntes Jigging, ist nicht erforderlich.
  • Die beschriebene Anordnung der zu bearbeitenden Flächen 14, 12, 20, 21, 23, 24 hat einen weiteren Vorteil. Falls im Laufe des Betriebs Beschädigungen der Oberflächen eintreten, können die Flächen in einem gewissen Maße nachgeschliffen werden, ohne daß dadurch die Lage und Anordnung der Flächen zueinander sich ändert. Es treten lediglich geringfügige Verschiebungen der Lage des Innengewindes 29 und der Bohrung 30 relativ zu den Winkelhalbierenden 26, 27 ein. Diese sind jedoch angesichts der Toleranzen innerhalb der Schraubverbindung ohne Bedeutung.
  • Gemäß den Fig. 1 und 3 sind über die Länge des Ionenfilters 10 vier Verbindungsbereiche mit entsprechenden Anschlagkörpern 16 und Isolierstücken 17 vorgesehen. Zwischen diesen (in Längsrichtung gesehen) ist jeweils ein deutlicher Abstand vorgesehen, so daß die Profilstäbe 13 bzw. die Hyperbelflächen 14 nicht vollständig eingeschlossen sind und gute Hochvakuumbedingungen geschaffen werden.

Claims (20)

  1. Ionenfilter für ein Massenspektrometer oder einen Massenanalysator, mit folgenden Merkmalen:
    a) eine längsgeteilte Baugruppe mit einer mittigen Längsachse weist mehrere langgestreckte Stabanordnungen (11) auf,
    b) jede der Stabanordnungen (11) weist eine langgestreckte und im Querschnitt gerundete Staboberfläche (14) auf;
    c) die Staboberfläche (14) erstreckt sich in Richtung der Längsachse (15) mit einer imaginären Bearbeitungsrichtung (28) senkrecht auf einer Spitze der gerundeten Staboberfläche;
    d) jede der Stabanordnungen (11) weist außerdem Anschlagflächen (12) auf, die zur Verbindung mit korrespondierenden Anschlagflächen (12) benachbarter Stabanordnungen (11) vorgesehen sind;
    e) dabei sind die Anschlagflächen (12) so ausgebildet, daß die Stabanordnungen (11) relativ zueinander durch eine formschlüssige Anlage der Anschlagflächen in einer stabilen Position ausgerichtet sind;
    f) die Staboberfläche (14) und die Anschlagflächen (12) jeder Stabanordnung (11) sind so ausgebildet und angeordnet, daß keine Hinterschneidung in einem willkürlich ausgewählten Teilbereich der Staboberfläche und der Anschlagflächen aus einer Richtung parallel zur Bearbeitungsrichtung sichtbar ist.
  2. Ionenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stabanordnung (11) eine Anschlagfläche konvex und eine andere Anschlagfläche konkav ausgebildet ist und daß die konvexe Anschlagfläche (20, 21) der Stabanordnung (11) an einer konkaven Anschlagfläche (23, 24) einer benachbarten Stabanordnung (11) zur Anlage kommt.
  3. Ionenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Anschlagflächen (23, 24) einen V-förmigen Querschnitt aufweisen und daß die konvexen Anschlagflächen (20, 21) zur Anlage an den konkaven Anschlagflächen (23, 24) passend ausgebildet sind.
  4. Ionenfilter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagflächen (12) parallel und flach relativ zur Längsachse (15) ausgebildet sind.
  5. Ionenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen und konkaven Anschlagflächen (12) in einer Querschnittsebene der längsgeteilten Baugruppe bzw. Stabanordnungen (11) ausgebildet sind.
  6. Ionenfilter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) an jeder Stabanordnung (11) ist die konvexe Anschlagfläche (20, 21) auf einer bestimmten Seite der Staboberfläche (14) und benachbart zu letzterer angeordnet,
    b) die konkave Anschlagfläche (23, 24) ist auf der anderen Seite der Staboberfläche (14) und benachbart zu letzterer angeordnet,
    c) die Anschlagflächen und die Staboberflächen (14) aller Stabanordnungen (11) sind innerhalb der längsgeteilten Baugruppe entlang des Querschnitts, d.h. senkrecht zur Längsachse (15) mit Abstand zueinander angeordnet,
    d) jede Stabanordnung (11) weist in Längsrichtung mehrere mit Abstand zueinander angeordnete Anschlagflächen auf.
  7. Ionenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagflächen (12) jeder Stabanordnung aus benachbarten und gegeneinander abgewinkelten Teilflächen gebildet sind.
  8. Ionenfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilflächen (20, 21, 23, 24) einer Anschlagfläche (12) zueinander einen Winkel von 95° bis 175° aufweisen.
  9. Ionenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Staboberflächen (14) hyperbolische Querschnittskrümmungen aufweisen, und ebenso wie die Anschlagflächen (12) zueinander identisch sind, zur Bearbeitung aller Stabanordnungen (11) mit ein und derselben Werkzeugkontur.
  10. Ionenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den in direktem Kontakt miteinander stehenden Anschlagflächen zwischen zwei Stabanordnungen wenigstens eine der zu einer Stabanordnung gehörenden Anschlagflächen eine elektrische Isolierung zwischen den Stabanordnungen vorsieht.
  11. Ionenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabanordnungen (11), mit Ausnahme eines elektrisch isolierenden Stückes, aus einer elektrisch leitenden Metallegierung bzw. Stahllegierung bestehen.
  12. Ionenfilter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen eine Stabanordnung (11) elektrisch isolierten Anschlagflächen (12) mit der genannten Stabanordnung (11) über Isolierstücke (17), insbesondere aus Quarz, verbunden sind.
  13. Ionenfilter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Auflagestücke (18) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende vorgesehen sind, wobei das erste Ende die Anschlagfläche ist und das zweite Ende klebend mit dem Isolierstück (17) verbunden ist.
  14. Ionenfilter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstück (17) und das Auflagestück (18) jeder Stabanordnung (11) mit Abstand zu dem Isolierstück und dem Auflagestück einer anderen Stabanordnung angeordnet sind und daß eine Mehrzahl von Isolierstücken und Auflagestücken mit Abstand entlang der Längsrichtung der Stabanordnung angeordnet sind.
  15. Ionenfilter nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstücke (17) für die das Ionenfilter (10) passierenden Ionen, insbesondere - von einer Mittelachse (Längsachse 15) des Ionenfilters (10) aus gesehen - durch die Staboberflächen (14) verdeckt angeordnet sind.
  16. Ionenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagflächen (12) jeder Stabanordnung (11) auf gegenüberliegenden Seiten der Staboberfläche (14) angeordnet sind und in Längsrichtung der Staboberfläche fluchten.
  17. Ionenfilter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als längsgeteilter Quadrupol mit vier zusammenzufügenden Stabanordnungen.
  18. Ein Massenspektrometer mit einem Ionenfilter nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Ionenquelle zur Bildung und Übergabe von Ionen an den Ionenfilter sowie eine Einrichtung zum Detektieren von Ionen.
  19. Verfahren zur Herstellung eines Ionenfilters, insbesondere für ein Massenspektrometer oder Massenanalysator, mit einem längsgeteilten Körper zur Bildung mehrerer, langgestreckter und im wesentlichen gleich ausgebildeter Stabanordnungen (11), jeweils mit einer im Querschnitt etwa hyperbelförmigen oder ähnlich gekrümmten, langgestreckten und zum Innern des längsgeteilten Körpers gerichteten Staboberfläche (14) und mit Anschlagflächen (12) zur Anlage an entsprechenden Flächen der benachbarten Stabanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die hyperbolische Staboberfläche (14) und die Anschlagflächen (12) einer jeden Stabanordnung (11) unter Anlage an einem gemeinsamen, entsprechend profilierten Werkzeug, insbesondere Schleifwerkzeug, auf ein definiertes Maß abgetragen werden, ohne daß eine Hinterschneidung gebildet wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Anschlagflächen (12) als Auflagestücke (18) jeweils mit Isolierstücken (17) und diese mit einer Stabanordnung (11) verbunden, insbesondere verklebt werden, und daß dann die gemeinsame Bearbeitung der hyperbolischen Staboberfläche (14) zusammen mit den (allen) Anschlagflächen (12) einer Stabanordnung (11) erfolgt.
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