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Die Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer; insbesondere auf Hochfrequenz-Quadrupol-Massenfilter zur Verwendung in Massenspektrometern.
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Hintergrund
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In der Massenspektrometrie können verschiedene Hochfrequenz-Komponenten zum Einsatz kommen. Beispiele für solche HF-Komponenten sind Ionenführungen. Massenfilter und Ionenfallen, meist als Multipol-Stabsysteme ausgeführt, im Besonderen als Quadrupol-Stabsysteme. Die HF-Komponenten sind in der Regel axial ausgerichtet in Reihe hintereinander angeordnet. In allen diesen HF-Komponenten werden Ionen gespeichert oder von einer HF-Komponente zur nächsten geführt. Um möglichst verlustfreie Übergange der Ionen von einer HF-Komponente zur nächsten zu erreichen, müssen die Abstände zwischen den Elektroden aufeinanderfolgender HF-Komponenten sehr klein sein. Durch die erforderlichen geringen Abstände kommt es zu HF-Kopplungen zwischen den Komponenten, besonders dann, wenn keine Lochblenden oder andere abschirmenden Vorrichtungen zwischen den Stabsystemen vorhanden sind. Die HF-Kopplung führt zu unerwünschten Störungen, die die Leistung des Massenspektrometers herabsetzen können. Zum Beispiel verändert sich durch die Störungen, denen ein Massenfilter durch HF-Kopplung mit einer benachbarten HF-Komponente ausgesetzt ist, das Massenauflösungsvermögen des Massenfilters. Dadurch lässt das Massenfilter unerwünschte Ionen passieren, was die analytischen Ergebnisse beeinträchtigt.
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Eine Lösung zum Reduzieren der HF-Kopplungen zwischen den Komponenten besteht darin, die HF-Komponenten, die entlang einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind, zueinander zu drehen. Diese Lösung beeinträchtigt jedoch die Leistungsfähigkeit des Massenspektrometers, weil durch Drehen der Komponenten zueinander eine Diskrepanz zwischen dem Ausgangsionenmuster der ersten HF-Komponente und dem Akzeptanzfeld der zweiten HF-Komponente entsteht.
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Eine weitere Lösung ist der Einsatz von Hochspannungskondensatoren zwischen den beiden benachbarten HF-Komponenten. Wie in gezeigt, können die Hochspannungskondensatoren (16) und (17) in geeigneter Anordnung helfen, die HF-Kopplung zwischen den Stirnflächen, die durch die virtuellen Kondensatoren (14) und (15) bewirkt wird, zu kompensieren. Dazu müssen die Hochspannungskondensatoren (16) und (17) sehr genau auf die Streukapazitäten (14) und (15) abgestimmt sein. Unterschiede bei den Hochspannungskondensatoren aufgrund ihrer Fertigungstoleranzen begrenzen aber die Effektivität dieser Lösung. Unterschiedliche Werte der Kondensatoren fahren dazu, dass die Hochspannungskondensatoren die HF-Kopplung nicht wie gewünscht reduzieren. Auch Kapazitätsänderungen durch Temperaturschwankungen und andere Betriebsbedingungen eines Massenspektrometers beeinträchtigen die Effektivität der Hochspannungskondensatoren beim Reduzieren der HF-Kopplung zwischen Komponenten. Weitere Probleme, die mit dem Einsatz von Hochspannungskondensatoren zwischen HF-Komponenten zum Reduzieren der HF-Kopplung zwischen den Komponenten verbunden sind, bestehen im Montieren und Anschließen der Kondensatoren im Massenspektrometer, ohne die Ionentransmission oder andere Merkmale des Systems negativ zu beeinflussen. Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Hochspannungskondensatoren sind die Kosten von Kondensatoren mit sehr engen Toleranzen, die zu den Kosten der HF-Komponenten hinzukommen.
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Überblick über die Erfindung
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Es werden Maßnahmen zur Beseitigung der Störungen durch Übersprechen (Kopplung) zwischen je zwei axial aufeinanderfolgenden Hochfrequenz-Multipol-Stabsystemen in einem Massenspektrometer beschrieben. Jedes Multipol-Stabsystem enthält mindestens zwei Paare jeweils benachbarter, stabförmiger Elektroden („Polstäbe”), die so mit gleichen Abständen zueinander um eine zentrale Achse herum konfiguriert sind, dass innerhalb der Elektroden ein Ionenkanal entsteht; es handelt sich somit um Quadrupol-, Hexapol-, Oktopol- oder höhere Multipol-Stabsysteme. Die beiden Polstäbe jedes Paares sind an die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung angeschlossen. Zur Kompensation der störenden Kopplung zwischen den Stirnflächen der Polstäbe haben mindestens zwei Polstäbe je einen elektrisch verbundenen Fortsatz, der jeweils einen Polstab des zweiten Multipol-Stabsystems mindestens teilweise berührungslos überlappt und so eine kapazitive Kopplung herstellt. Die Überlappung muss einen Polstab betreffen, der zur stirnseitig angeordneten Elektrode benachbart ist, und die kapazitive Kopplung muss genau so groß sein wie die Kopplung zwischen den Stirnflächen der Polstäbe.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Ausführungsformen dieser Erfindung sind den beigefügten Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Die hier gegebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nur als Beispiele zu verstehen; sie sollen keineswegs die Erfindung auf die in den Abbildungen dargelegten Formen beschränken.
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ist ein Blockschaltbild von HF-Komponenten in einem Massenspektrometer.
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gibt zwei HF-Quadrupol-Stabsysteme mit Polstabfortsätzen wieder.
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zeigt eine Ausführungsform eines Polstabfortsatzes in rechteckiger Form.
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zeigt einen Polstabfortsatz in zylindrischer Form.
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gibt einen Polstabfortsatz mit abgeschrägter Höhe wieder.
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zeigt eine Kompensation der Kopplung zwischen einem Hochfrequenz-Quadrupol-Stabsystem und einer gekrümmten zweiten Hochfrequenz-Komponente.
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zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Reduzieren des Übersprechens zwischen benachbarten Hochfrequenz-Komponenten in einem Massenspektrometer.
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gibt eine Kopplungskompensation mit Hochspannungskondensatoren wieder.
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zeigt eine Kompensation der Kopplung durch bogenförmige Fortsätze mit Endplatten.
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zeigt eine Kompensation der Kopplung durch Fortsätze, die von elektrisch leitenden Elektrodenhalterungen ausgehen.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Es werden hier Ausführungsformen beschrieben, die ein Übersprechen zwischen Hochfrequenz-Komponenten in einem Massenspektrometer mindern oder sogar durch Kompensation ganz auslöschen. Insbesondere werden Hochfrequenz-Komponenten mit elektrisch leitenden Elektrodenfortsätzen beschrieben, die so konstruiert sind, dass sie einen Teil einer Elektrode einer benachbarten HF-Komponente berührungslos überlappen. Die Elektrodenfortsätze reduzieren oder kompensieren die Störungen, denen die benachbarte HF-Komponente aufgrund einer HF-Kopplung zwischen den beiden HF-Komponenten ausgesetzt ist.
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Beispiele für HF-Komponenten in Massenspektrometern sind Ionenführungen, Massenfilter, lineare Ionenfallen und andere HF-Komponenten, die dem Fachmann bekannt sind. Die HF-Komponenten sind in der Regel als Multipol-Stabsysteme ausgeführt, die in axialer Ausrichtung in Reihe hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Stirnflächen der Polstäbe sehr nahe kommen. Das Übersprechen beruht auf der elektrischen Kapazität zwischen den Stirnflächen der Polstäbe, durch die eine Teilspannung der Hochfrequenz der ersten HF-Komponente auf die zweite Komponente, und eine Teilspannung der Hochfrequenz der zweiten Komponente auf die erste kapazitiv übertragen wird. Die Kompensationen werden notwendig, wenn die beiden Hochfrequenzspannungen der ersten und der zweiten Komponente nach Frequenz, Phase oder Amplitude verschieden sind; insbesondere dann, wenn sich eine der Hochfrequenzspannungen in Frequenz, Phase oder Amplitude zeitlich verändert. Die Elektrodenfortsätze müssen eine kapazitive Kopplung der gleichen Größe zu Elektroden der benachbarten HF-Komponente herstellen, die nicht Stirn zu Stirn angeordnet sind, um die von Stirn zu Stirn übertragenden Störungen genau zu kompensieren.
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Durch das Reduzieren von Kopplung oder Übersprechen zwischen benachbarten HF-Komponenten wird die Leistungsfähigkeit der HF-Komponenten erhöht. Dadurch verbessert sich wiederum die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit des Massenspektrometers. Zum Beispiel führen Störungen durch benachbarte HF-Komponenten dazu, dass die Kennwerte der HF-Komponenten von den gewünschten Kennwerten abweichen. Ein spezielles Beispiel ist ein Massenfilter, das so eingeregelt ist, dass es einen bestimmten Bereich von Ionen mit einer bestimmten ladungsbezogenen Masse m/z durchlässt. Änderungen in den Hochfrequenzspannungen an einem Massenfilter führen dazu, dass unerwünschte Ionen das Filter passieren können. Umgekehrt können Ionen, die das Massenfilter passieren sollen, infolge von Änderungen in den Hochfrequenzspannungen ausgefiltert werden. Somit optimiert eine HF-Komponente mit einem Elektrodenfortsatz, der eine benachbarte HF-Komponente in geeigneter Weise überlappt, die Leistungsfähigkeit der HF-Komponenten.
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zeigt ein Blockschaltbild eines Massenspektrometers mit zwei hintereinander angeordneten HF-Komponenten. In anderen Ausführungsformen kann das Massenspektrometer auch drei, vier oder mehr Multipol-HF-Komponenten enthalten. Bei dem Massenspektrometer kann es sich zum Beispiel um ein Dreifach-Quadrupol-Massenspektrometer („Triple-Quad”) handeln. Das Massenspektrometer 100 der hat eine Vakuumkammer 102, in der die anderen Komponenten des Massenspektrometers platziert sind. Die Vakuumkammer 102 kann aus Bereichen mit verschiedenen Drücken bestehen. Der Druck in der Vakuumkammer wird durch eine oder mehrere Vakuumpumpen gesteuert, wie dem Fachmann bekannt ist.
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Das Massenspektrometer 100 enthält eine Ionenquelle 104. Die Ionenquelle 104 kann auf Ionisierung durch Elektronenbeschuss oder auf chemischer Ionisierung basieren; darüber hinaus gibt es viele weitere Verfahren der Ionisierung. Die Ionenquelle 104 ionisiert die zu analysierenden Analytmoleküle. Nach Verlassen der Ionenquelle 104 gelangen die Ionen in die HF-Komponente 106. Die HF-Komponente 106 kann beispielsweise eine Ionenführung, ein Massenfilter oder eine lineare Ionenfalle sein. Die HF-Komponente 106 kann insbesondere als Multipol-Stabsystem ausgeführt sein, z. B. als Quadrupol-, Hexapol- oder Oktopol-Stabsystem.
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Die HF-Komponente 108 kann ebenfalls eine Ionenführung, ein Massenfilter, eine lineare Ionenfalle oder eine andersartige HF-Komponente sein. Üblicherweise werden die Ionen aus der Ionenquelle 104 durch die HF-Komponente 106 in die HF-Komponente 108 geführt. In einer Ionenführung, die als Stabsystem ausgeführt ist, wird üblicherweise eine HF-Spannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz an die Polstäbe angelegt. Das HF-Feld treibt die Ionen in Richtung auf die Achse des Stabsystems, dadurch schwingen sie um die Achse oder durch sie hindurch. Ist die HF-Komponente mit einem Dämpfungsgas gefüllt, das die Oszillationen der Ionen dämpft, so versammeln sie sich nahe der Achse und fließen dort zum Ausgang des Stabsystems. Diesen Vorgang nennt man „Stoßfokussierung”. HF-Komponenten, die als Ionenführung konfiguriert sind, können auch als Stoßzelle dienen. Zum Beispiel kann die HF-Komponente mit einen Inertgas wie Argon, Helium, Stickstoff etwas höheren Drucks gefüllt sein, um beim Einschuss der Ionen mit einer Energie von einigen zehn Elektronenvolt eine stoßinduzierte Dissoziation der Ionen zu bewirken.
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Ein Massenfilter dient zur Auswahl eines Teils der eintretenden Ionen mit einer ausgewählten ladungsbezogenen Masse m/z oder einem Bereich ladungsbezogener Massen Δm/z, wie dem Fachmann bekannt ist. Ein Massenfilter ist mit einer HF-Spannung versorgt, die mit einer Gleichspannung überlagert ist. Das von der HF-Spannung erzeugte Feld treibt die Ionen oberhalb einer Grenzmasse (m/z)cut-off zur Achse bin, mit einer Kraft, die umgekehrt proportional zur ladungsbezogenen Masse m/z ist. Die Gleichspannung hingegen zieht die Ionen zu einem der Polstäbe mit einer Kraft, die proportional zur Ladung z ist. Als Resultat werden nur Ionen in einem vorgegebenen Bereich Δm/z ladungsbezogener Massen vom Massenfilter durchgelassen. Die anderen Ionen werden durch die Wirkung der Gleichspannung von der Mittelachse weg zu einem Polstab befördert, wo sie absorbiert werden.
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Ein Multipol-Stabsystem kann auch als Ionenfalle betrieben werden. Ionenfallen dienen zum Speichern und Manipulieren von Ionen, zum Beispiel durch chemische Reaktionen.
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Bei manchen Ausführungsformen kann zwischen den HF-Komponenten 106 und 108 eine Zwischenelektrode enthalten sein, beispielsweise eine Lochblende. Die Zwischenelektrode hilft beim Transport der Ionen von der HF-Komponente 106 zur HF-Komponente 108. Beispielsweise kann die Zwischenelektrode einen Abstand zwischen HF-Komponente 106 und HF-Komponente 108 überbrücken, um die Ausbreitung eines Ionenstrahls, der durch die HF-Komponente 106 geformt wird, zu reduzieren.
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Wie in dargestellt, strömen Ionen von der HF-Komponente 108 zum Detektor 110, mit dem die von HF-Komponente 108 übertragenen Ionen gemessen werden. Der Ionendetektor kann u. a. ein Elektronenvervielfacher, ein Faraday-Becher oder ein Ionen-Photonen-Detektor sein. Ein Elektronenvervielfacher kann verschiedene Formen haben, beispielsweise die Form einer Mikrokanalplatte.
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zeigt zwei in Reihe angeordnete Quadrupol-Stabsysteme mit zylindrischen Polstäben. Das erste HF-Quadrupol-Stabsystem 202 enthält vier Polstäbe 203, die aus zwei einander gegenüberliegenden Polstäben 203a und den zwei übrigen Polstäben 203b bestehen, die jeweils an eine Phase der Hochfrequenzspannung angeschlossen sind. Das zweite Quadrupol-Stabsystem hat die zwei jeweils einander gegenüberliegenden Polstäbe 207a und die kreuzweise dazu gelegenen Polstäbe 207b, jeweils angeschlossen an die beiden Phasen einer zweiten Hochfrequenzspannung. Alle Polstäbe sind gleichmäßig um eine Achse 208 herum angeordnet. Die Ionen werden zur Achse 208 hin stoßfokussiert und fließen durch beide Stabsysteme hindurch. Die Hochfrequenzspannungen haben im Allgemeinen Frequenzen zwischen 0,1 und 10 Megahertz, meist bei etwa einem Megahertz, mit Amplituden zwischen 10 Volt und 20 Kilovolt Spitze-Spitze. Für Quadrupol-Massenfilter ist es üblich, die HF-Amplitude (und die zugehörige Gleichspannung) in linearer Weise von kleinen zu hohen Werten durchzufahren, um Ionen aller Massen nacheinander durchzulassen und so ein Massenspektrum aufzunehmen.
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Neben oft verwendeten zylindrischen Polstäben gibt es auch Anordnungen mit Polstäben, die eine hyperbolische Form besitzen. Polstäbe sind aus leitendem Material zu fertigen. Beispiele für leitende Materialien sind Aluminiumlegierungen, Edelstahl oder Kupfer.
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In ist insbesondere zu sehen, wie zur Kompensation des HF-Übersprechens Polstabfortsätze angebracht sind. In einer Ausführungsform besteht ein Polstab 203b und sein Fortsatz 204 aus einem Stück. In anderen Ausführungsformen ist der Fortsatz 204 separat und vom Polstab 203b getrennt hergestellt, hat jedoch elektrischen Kontakt zu Elektrode 203b. Beispielsweise kann der Fortsatz 204 durch Löten, Schweißen, Schrauben oder auf andere Weise so mit dem Polstab verbunden sein, dass ein elektrischer Kontakt zwischen Fortsatz 204 und Polstab 203b besteht.
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Die beiden Fortsätze 204 erstrecken sich so weit, dass mindestens ein Teil der Fortsätze 204 einen jeweils um 90° um die Achse versetzten Polstab 207b des zweiten Quadrupols 206 ohne Berührung überlappt. Die beiden Fortsätze 204 übertragen kapazitiv ein HF-Signal, das zu den stirnseitig übertragenen Störungen im zweiten Quadrupol 206 in seiner Phase entgegengesetzt ist und damit die Störungen kompensiert. Die Fortsätze können natürlich auch an Polstäben des zweiten Quadrupol-Stabsystems befestigt sein und Polstäbe des ersten Quadrupol-Stabsystems überlappen. In beiden Fällen werden alle Störungen in beiden Richtungen kompensiert, das heißt, alle Störungen von HF-Komponente 202 zur HF-Komponente 204 und umgekehrt.
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Die bis zeigen Beispiele für Ausführungsformen von Polstabfortsätzen, die viele verschiedene Formen und Größen haben können. Die in gezeigte Ausführungsform hat einen rechteckigen Querschnitt und eine Biegung zum Ende hin. zeigt eine Ausführungsform eines zylindrischen Fortsatzes. zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem Körper, der in der Höhe schräg zu dem Ende hin zuläuft, das den benachbarten Polstab überlappen soll.
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Die Größe aller Überlappungsflächen und die Überlappungsabstände müssen etwa in der Größenordnung der summierten Stirnflächen der Polstäbe und dem stirnseitigen Abstand der Polstäbe liegen, damit die Kapazität der Kompensation durch die Polstabfortsätze genau gleich der Kapazität der Störung wird. Durch leichtes Verbiegen der Polstabfortsätze im Bereich der berührungslosen Überlappung kann eine Feinjustierung so vorgenommen werden, dass das störende Übersprechen vollkommen kompensiert wird. Ist die Feinjustierung einmal vorgenommen, so kann die genaue Form für weitere Stabsystem-Kopplungen genau reproduziert werden.
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zeigt schematisch eine Ausführungsform einer ersten HF-Komponente mit einer Krümmung 402 und Elektrodenverlängerungen 204. Die gekrümmte HF-Komponente 402 gemäß der in dargestellten Ausführungsform ist neben einer zweiten HF-Komponente 206 platziert. Außerdem überlappt ein Teil jeder Elektrodenverlängerung 204 mindestens einen Teil der zweiten HF-Komponente 206, wie oben beschrieben. Die HF-Komponente 402 besitzt eine Krümmung, um Ionen in eine andere als die Eintrittsrichtung zu leiten. Wie bei den oben erörterten HF-Komponenten führt die HF-Komponente mit Krümmung 402 die Ionen entlang einer Mittelachse 208, die der Krümmung der HF-Komponente mit Krümmung 402 folgt. Die Krümmung der HF-Komponente kann durch eine Krümmung aller Polstäbe erzeugt werden und soll bewirken, dass sich die Wegrichtung der Ionen in der HF-Komponente um einen vorgegeben Winkel 404 zwischen 0 und 180 Grad ändert.
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zeigt zwei Quadrupol-Stabsysteme, wobei die Polstabfortsätze 28 und 30 der Polstäbe 24 und 25 gebogene Stäbe mit Endplatten 29 und 31 sind, wobei die Endplatten eine kapazitive Kopplung zu den Polstäben 21 und 22 des zweiten Quadrupol-Stabsystems herstellen.
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In ist eine Anordnung von zwei Quadrupol-Stabsystemen gezeigt, bei denen die Polstäbe 41, 42, 43 und 44 des ersten Quadrupol-Stabsystems durch metallische Halterungen 41a, 42a, 43a und 44a auf einer isolierenden Grundplatte 40 befestigt sind. Von der Halterung 42a geht ein Elektrodenfortsatz 49 aus und stellt eine kapazitive Kopplung zum Polstab 47 des zweiten Quadrupol-Stabsystems her. Hier wird die Kopplung also über den Weg Polstab 42 – Halterung 42a – Elektrodenfortsatz 49 – Polstab 47 hergestellt. Der Fortsatz 49 ist also leitend mit dem Polstab 42 verbunden, aber nicht auf direktem Wege. In gleicher Weise geht ein Elektrodenfortsatz von der Halterung 41a zum Polstab 48, was aber in der Darstellung verdeckt ist.
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zeigt ein Flussdiagramm der Ausführungsform eines Verfahrens zum Reduzieren des Übersprechens zwischen benachbarten Hochfrequenz-Komponenten in einem Massenspektrometer. In Schritt 502 wird die erste HF-Komponente mit Elektrodenfortsätzen in Reihe mit einer zweiten HF-Komponente platziert. In Schritt 504 werden die Elektrodenfortsätze so konfiguriert, dass sie mindestens einen Teil der zweiten HF-Komponente überlappen, wie oben beschrieben. Dies ist eine Möglichkeit, die auf die HF-Komponenten wirkenden Störungen zu reduzieren oder zu minimieren.
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In der vorstehenden Spezifikation wurden spezielle exemplarische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen daran vorgenommen werden können. Die Spezifikation und die Zeichnungen sind dementsprechend als Mittel zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung zu betrachten. Ein Fachmann, der diese Offenlegung nutzt, wird leicht auf weitere Ausführungsformen kommen.
