DE112010002224T5

DE112010002224T5 - Multipol-Ionentransportvorrichtung und verwandte Verfahren

Info

Publication number: DE112010002224T5
Application number: DE112010002224T
Authority: DE
Inventors: Mingda Wang
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2010141776A3; WO2010141776A2; US8124930B2; US20100308218A1; JP2012529156A

Abstract

Eine Ionentransportvorrichtung umfasst ein Ioneneintrittsende, ein Ionenaustrittsende und Elektroden, die entlang einer Längsachse von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende hin angeordnet sind. Die Elektroden sind konfiguriert zum Anlegen eines elektrischen HF-Feldes, das entlang der Längsachse variiert, so dass an dem Ioneneintrittsende das elektrische HF-Feld eine vorrangige erste Multipolkomponente von 2n1 Polen aufweist, wobei n1 ≥ 3/2, und an dem Ionenaustrittsende das elektrische HF-Feld überwiegend eine zweite Multipolkomponente von 2n2 Polen aufweist, wo n2 ≥ 3/2 und n2 < n1.

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Patentanmeldung nimmt die Priorität von U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/479,614, eingereicht am 5. Juni 2009, in Anspruch.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Leitung von Ionen, die z. B. auf Gebieten der analytischen Chemie Verwendung findet, wie z. B. bei der Massenspektrometrie. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Leiten von Ionen in einem konvergierenden Ionenstrahl.
Hintergrund der Erfindung
Ein Ionenleiter (oder Ionentransportvorrichtung) kann verwendet werden, um Ionen in verschiedenen Arten von Ionenverarbeitungsbauelementen zu übertragen, wobei eines z. B. ein Massenspektrometer (MS) ist. Theorie, Entwurf und Operation von verschiedenen Arten von Massenspektrometern sind Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt und müssen somit in der vorliegenden Offenbarung nicht detailliert erörtert werden. Ein üblicherweise eingesetzter Ionenleiter basiert auf einer Multipolelektrodenstruktur, bei der zwei oder mehr Elektrodenpaare in der Richtung des vorgesehenen Ionenwegs ausgedehnt sind und einen Innenraum umgeben, in dem sich die Ionen bewegen. Üblicherweise ist die Elektrodenstruktur eine Nur-HF-Elektrodenstruktur, bei der die Ionen, die durch den Ionenleiter laufen, einem zweidimensionalen, Hochfrequenz-(HF- ; radio frequency)Fangfeld ausgesetzt werden, das die Ionen entlang eines axialen Wegs durch die Elektrodenstruktur fokussiert. Die Wege der Ionen sind in der Lage, in radialen Richtungen in der Transversalebene zu oszillieren, die orthogonal zu der Achse der Elektrodenstruktur ist, aber diese Oszillationen sind durch die Kräfte begrenzt, die durch das elektrische HF-Feld ausgeübt werden, das in der Transversalebene angelegt ist. Als Ergebnis sind die Ionen auf einen Ionenstrahl begrenzt, der um die Achse der Elektrodenstruktur zentriert ist (die üblicherweise eine geometrisch zentrierte Achse ist). Ist kein HF-Feld vorhanden, wären die Ionen weit auf instabile, unkontrollierte Weise verstreut. Wenige Ionen würden tatsächlich zu einem nachfolgenden Bauelement übertragen werden von dem Ionenaustritt des Ionenleiters; die meisten Ionen würden den Ionenaustritt nicht erreichen, sondern stattdessen die Ionenleiterstäbe treffen oder aus der Elektrodenstruktur entkommen. Daher müssen in einem Ionenleiter die Ionen während ihres Flugs einen bestimmten minimalen Betrag einer HF-Rückstellkraft erfahren, um auf einen Ionenstrahl begrenzt zu sein, für eine effiziente Übertragung zu dem und über den Ionenaustritt hinaus an dem axialen Ende des Ionenleiters.
Bei einem herkömmlichen Ionenleiter ist das angelegte elektrische HF-Feld im Allgemeinen einheitlich entlang der axialen Richtung von dem Ioneneintritt zu dem Ionenaustritt, ohne Rücksicht auf Randeffekte und andere lokalisierte Diskontinuitäten. Folglich ist der Ionenstrahl im Allgemeinen zylindrisch, im Hinblick zumindest darauf, dass der Querschnittsbereich des Ionenstrahls – der allgemein die Hüllkurve darstellt, in der radiale Auslenkungen der Ionen in der zweidimensionalen Ebene begrenzt sind – einheitlich entlang der Achse ist. Die Größe des Querschnitts des Ionenstrahls hängt allgemein von dem Wesen des HF-Felds ab, das angelegt ist. Als Beispiel kann ein Satz aus vier parallelen Elektroden verwendet werden, um ein Quadrupolar-HF-Feld zu erzeugen, ein Satz aus sechs parallelen Elektroden kann verwendet werden, um ein Hexapolar-HF-Feld zu erzeugen, etc. Bei einem Quadrupolarfeld sind die Ionen stärker um die Achse fokussiert und somit ist der Querschnitt des Ionenstrahls kleiner im Vergleich zu einem Hexapolarfeld. Bei allen solchen herkömmlichen Fällen sind das HF-Feld und daher der Querschnitt des Ionenstrahls einheitlich. Die Bedingungen jedoch, unter denen Ionen eines gegebenen Masse-Ladungs-Verhältnisses (m/z) oder eines Bereichs von m/z-Verhältnissen in den Ionenleiter auf optimale Weise gelassen werden können, sind nicht notwendigerweise dieselben wie die Bedingungen, unter denen die Ionen aus dem Ionenleiter auf optimale Weise emittiert werden können. Folglich sind die Dimensionen eines einheitlichen Ionenstrahls häufig nicht optimal sowohl für Ioneneintritt als auch Ionenaustritt, oder sogar nicht einmal für Ioneneintritt oder Ionenaustritt allein, was zu einem nicht optimalen Ionensignal und einer Instrumentenempfindlichkeit führt.
Dementsprechend besteht ein Bedarf nach Ionentransportvorrichtungen, die zum Liefern optimierter Ionenübertragungsbedingungen für innen eines großen Bereichs von m/z-Verhältnissen konfiguriert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Um die vorangehenden Probleme anzugehen, ganz oder teilweise, und/oder andere Probleme, die durch Fachleute auf dem Gebiet möglicherweise erkannt wurden, schafft die vorliegende Offenbarung Verfahren, Prozesse, Systeme, Vorrichtungen, Instrumente und/oder Bauelemente, wie beispielhaft in nachfolgend ausgeführten Implementierungen beschrieben ist.
Gemäß einer Implementierung umfasst eine Ionentransportvorrichtung ein Ioneneintrittsende, ein Ionenaustrittsende, das in einer Distanz von dem Ioneneintrittsende entlang einer Längsachse angeordnet ist, einen Ioneneintrittsabschnitt, der sich entlang der Längsachse von dem Ioneneintrittsende hin zu dem Ionenaustrittsende erstreckt, einen Ionenaustrittsabschnitt, der sich entlang der Längsachse von dem Ionenaustrittsende hin zu dem Ioneneintrittsende erstreckt, und eine Mehrzahl von Elektroden. Die Elektroden sind entlang der Längsachse angeordnet, wobei zumindest Teile der Elektroden in einer radialen Distanz in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsachse angeordnet sind. Die Mehrzahl der Elektroden umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektroden, die einen Innenraum in dem Ioneneintrittsabschnitt umschreiben, und eine Mehrzahl von zweiten Elektroden, die einen Innenraum in dem Ionenaustrittsabschnitt umschreiben. Die Mehrzahl der Elektroden ist zum Anlegen eines elektrischen HF-Felds konfiguriert, das entlang der Längsachse derart variiert, dass das elektrische HF-Feld an dem Ioneneintrittsende ein erstes elektrisches HF-Feld umfasst, das eine vorrangige erste Multipolkomponente von 2n₁ Polen umfasst, wobei n₁ ≥ 3/2, und das elektrische HF-Feld an dem Ionenaustrittsende ein zweites elektrisches HF-Feld umfasst, das überwiegend eine zweite Multipolkomponente von 2n₂ Polen umfasst, wobei n₂ ≥ 3/2 und n₂ < n₁. Gemäß einer anderen Implementierung weisen zumindest einige der Elektroden einen Querschnittsbereich in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsachse auf, wobei der Querschnittsbereich an dem Ioneneintrittsende unterschiedlich ist zu dem an einem gegenüberliegenden axialen Ende der zumindest einigen Elektroden.
Gemäß einer anderen Implementierung wird ein Verfahren zum Transportieren von Ionen bereitgestellt. Die Ionen werden in einen Innenraum einer Ionentransportvorrichtung an einem axialen Ioneneintrittsende derselben gelassen. Die Ionentransportvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Elektroden, die entlang einer Längsachse von dem axialen Ioneneintrittsende hin zu einem axialen Ionenaustrittsende angeordnet sind, wobei die Mehrzahl der Elektroden den Innenraum in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsachse umgibt. Radiale Bewegungen der Ionen in der Transversalebene sind auf einen konvergierenden Ionenstrahl begrenzt, der sich entlang der Längsachse von einem großen Ionenstrahlquerschnitt an dem Ioneneintrittsende zu einem kleinen Ionenstrahlquerschnitt an dem Ionenaustrittsende erstreckt. Der konvergierende Ionenstrahl wird bewirkt durch Anlegen eines elektrischen HF-Felds, das entlang der Längsachse derart variiert, dass das elektrische HF-Feld an denn Ioneneintrittsende eine vorrangige erste Multipolkomponente von 2n₁ Polen aufweist, wobei n₁ ≥ 3/2, und das elektrische HF-Feld an dem Ionenaustrittsende überwiegend eine zweite Multipolkomponente von 2n₂ Polen aufweist, wobei n₂ ≥ 3/2 und n₂ < n₁.
Andere Bauelemente, Vorrichtungen, Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind oder werden für einen Fachmann auf dem Gebiet nach der Untersuchung der nachfolgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es ist die Absicht, dass alle solchen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile innerhalb dieser Beschreibung umfasst sind, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung sind und durch die beiliegenden Ansprüche geschützt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren besser verständlich. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei die Betonung stattdessen auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung liegt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchgehend entsprechende Teile in den unterschiedlichen Ansichten.
1 ist eine vereinfachte, perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß bestimmten Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines anderen Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine schematische Endansicht eines Elektrodensatzes einer Ionentransportvorrichtung an ihrem Ioneneintrittsende.
4 ist eine schematische Endansicht desselben Elektrodensatzes, der in 3 dargestellt ist, aber an dem gegenüberliegenden Ionenaustrittsende der Ionentransportvorrichtung.
5 ist eine Querschnitt-Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
6 ist eine Querschnitt-Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer anderen Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
7 ist eine Gruppe aus Skizzen, die Pseudopotentiale eines Quadrupol-, Hexapol- und Oktopol-HF-Feldes darstellen.
8 ist eine Gruppe aus Skizzen, die Ionenverteilungen in einem Quadrupol-, Hexapol- und Oktopol-HF-Feld darstellen.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels der Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
10A, 10B und 10C sind schematische Querschnittsansichten der Elektrodensätze in dem Eintritts- abschnitt, Zwischenabschnitt bzw. Austrittsabschnitt.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
12A und 12B sind schematische Querschnittsansichten der Elektrodensätze in dem Eintritts- abschnitt bzw. Austrittsabschnitt.
13 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
14 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
15A, 15B und 15C sind schematische Querschnittsansichten der Elektrodensätze in dem Eintritts- abschnitt, Zwischenabschnitt bzw. Austrittsabschnitt der Ionentransportvor richtung, die in 14 dargestellt ist.
16 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
18 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
19 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung gemäß anderen Implementierungen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich allgemein auf die Übertragung von Ionen und die zugeordnete Zonenverarbeitung. Beispiele von Implementierungen von Verfahren und verwandten Bauelementen, Vorrichtungen und/oder Systemen werden nachfolgend detaillierter Bezug nehmend auf 1 bis 19 beschrieben. Diese Beispiele sind zumindest teilweise in dem Kontext der Massenspektrometrie (MS) beschrieben. Jeder Prozess jedoch, der die Übertragung von Ionen umfasst, kann in den Schutzbereich dieser Offenbarung fallen.
1 ist eine vereinfachte, perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung (Bauelement, Anordnung, etc.) 100 gemäß bestimmten Implementierungen der vorliegenden Offenbarung. Die Ionentransportvorrichtung 100 umfasst eine Mehrzahl von Elektroden 104, 108, 112, 116, die um eine Längsachse 120 angeordnet sind, die als die z-Achse bezeichnet werden kann. Die Elektroden 104, 108, 112, 116 sind angeordnet, um einen Innenraum innerhalb des Ionenleiters 100 derart zu umschreiben, dass der Innenraum ebenfalls entlang der Längsachse 120 verlängert ist. Zumindest ein Teil jeder Elektrode 104, 108, 112, 116 ist in einer radialen Distanz von der Längsachse 120 in der Transversal- oder x-y-Ebene angeordnet, die orthogonal zu der Langsachse 120 ist. Somit weisen die Elektroden 104, 108, 112, 116 und der Innenraum entsprechende Querschnittsbereiche in der Transversalebene und eine Axialabmessung entlang der Langsachse 120 auf. Der Querschnittsbereich des Innenraums ist im Allgemeinen durch die Oberflächen der Elektroden 104, 108, 112, 116 begrenzt, die nach Innen hin zu dem Innenraum gewandt sind. Die gegenüberliegenden axialen Enden der Elektroden 104, 108, 112, 116 umgeben jeweils ein Axial-Ioneneintrittsende und ein Axial-Ionenaustrittsende 128 der Ionentransportvorrichtung 100. Der Ionenleiter 100 kann im Allgemeinen ein Gehäuse oder einen Rahmen (nicht gezeigt) oder jegliche andere Struktur umfassen, die zum Tragen der Elektroden 104, 108, 112, 116 in einer festen Anordnung entlang der Längsachse 120 geeignet ist. Abhängig von dem Typ des Ionenverarbeitungssystems, das betrachtet wird, kann das Gehäuse eine evakuierte Niedrigdruckumgebung oder eine Umgebung mit weniger als Umgebungsdruck liefern. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, erzeugen die Elektroden 104, 108, 112, 116 nach dem Anlegen einer ordnungsgemäßen HF-Spannung an die Elektroden 104, 108, 112, 116 ein zweidimensionales (x-y-Ebene bei dem vorliegenden Beispiel), multipolares, elektrisches HF-Wiederherstellungsfeld, das Ionen im Allgemeinen entlang einem Weg oder Ionenstrahl fokussiert, der entlang der Längsachse 120 gerichtet ist, wie nachfolgend weiter in Verbindung mit 3 beschrieben wird. Die Ionen sind auf Bewegungen in der Transversalebene in der Nähe der Längsachse 120 begrenzt, derart, dass der Ionenstrahl als eine Ionenwolke oder eine mit Ionen besetzte Transportregion betrachtet wird, die entlang der Längsachse 120 von dem Ioneneintrittsende 124 zu dem Ionenaustrittsende 128 fokussiert ist.
Die Ionentransportvorrichtung 100 kann ferner eine oder mehrere Ioneneintrittslinsen 132 umfassen, die in einem oder mehreren axialen Abständen vor dem Ioneneintrittsende 124 positioniert sind, und eine oder mehrere Ionenaustrittslinsen 136, die in einem oder mehreren axialen Abständen nach dem Ionenaustrittsende 128 positioniert sind. Die Ioneneintrittslinse 132 und die Ionenaustrittslinse 136 können beliebige geeignete Strukturen sein, wie z. B. Platten, Scheiben, Zylinder oder Gitter mit entsprechenden Aperturen. Die Ionentransportvorrichtung 100 kann ein Bauelement oder eine Einrichtung umfassen zum Erzeugen von einem oder mehreren elektrischen Feldern, die zum Steuern der Ionenenergie in der axialen Richtung verwendet werden. Diese Bauelemente oder Einrichtungen können in einer oder mehreren DC-Spannungsquellen oder Signalgeneratoren verkörpert sein. Somit können bei dem dargestellten Beispiel entsprechende DC-Spannungsquellen 148, 152, 156 in elektrischer Kommunikation mit der Ioneneintrittslnse 132, den Elektroden 104, 108, 112, 116 und der Ionenaustrittslinse 136 platziert sein, um axiale DC-Potentiale über den axialen Zwischenraum zwischen der Ioneneintrittslinse 132 und den Elektroden 104, 108, 112, 116 und über den axialen Zwischenraum zwischen den Elektroden 104, 108, 112, 116 und der Ionenaustrittslinse 136 zu erzeugen. Auf diese Weise können Ionen in die Ionentransportvorrichtung 100 geleitet und gedrängt werden, durch das Ioneneintrittsende 124, und aus der Ionentransportvorrichtung 100 durch das Ionenaustrittsende 128. Es wird darauf hingewiesen, dass die DC-Spannungsquellen 148, 152, 156 schematisch in 1 dargestellt sind und in der Praxis durch verschiedene unterschiedliche Typen einer physischen Schaltungsanordnung oder Bauelementen implementiert sein können. Als Alternative kann ein externes Axial-DC-Felderzeugungs-Bauelement oder mehrere -Bauelemente (nicht gezeigt) implementiert sein, wie z. B. eine oder mehrere andere leitfähige Strukturen (z. B. resistive Spuren, Drähte, etc.), die entlang der Längsachse 120 positioniert sind.
Bei verschiedenen Implementierungen kann die Ionentransportvorrichtung 100 eine Mehrzahl von Ionentransportabschnitten umfassen. Jeder Ionentransportabschnitt kann von den anderen Abschnitten durch die Konfiguration der Elektroden 104, 108, 112, 116 oder den Aufbau des HF-Multipol-Elektrodenfeldes unterschieden werden, das in diesem Abschnitt angelegt ist. Die Ionentransportvorrichtung 100 kann einen Ioneneintrittsabschnitt (oder ersten Ionentransportabschnitt) 160 umfassen, der sich von dem Ioneneintrittsende 124 hin zu dem Ionenaustrittsende 128 erstreckt, und einen Ionenaustrittsabschnitt (oder zweiten Ionentransportabschnitt) 164, der sich von dem Ionenaustrittsende 128 hin zu dem Ioneneintrittsende 124 erstreckt. Bei einigen Implementierungen kann die Ionentransportvorrichtung 100 ferner einen oder mehrere Zwischenabschnitte umfassen (oder einen dritten Ionentransportabschnitt, vierten Ionentransportabschnitt usw.) 168, die zwischen dem Ioneneintrittsabschnitt 160 und dem Ionenaustrittsabschnitt 164 positioniert sind. In 1 sind der Ioneneintrittsabschnitt 160, der Ionenaustrittsabschnitt 164 und der Zwischenabschnitt 168 schematisch durch gestrichelte Linien abgegrenzt. Den entsprechenden axialen Längen dieser Ionentransportabschnitte 160, 164, 168 ist keine Grenze relativ zueinander gesetzt. Einige oder alle Elektroden 104, 108, 112, 116 können sich durch jeden Abschnitt 160, 164, 168 erstrecken.
Bei dem Beispiel, das spezifisch in 1 dargestellt ist, sind die Elektroden 104, 108, 112, 116 in der Form eines Satzes aus geraden Stäben vorgesehen. In diesem Fall können die Elektroden 104, 108, 112, 116 im Allgemeinen parallel zueinander und zu der Längsachse 120 sein, umfangsmäßig beabstandet voneinander um die Längsachse 120 und verlängert entlang der Längsachse 120. Bei anderen Implementierungen, wobei Beispiele derselben nachfolgend beschrieben werden, können die Elektroden 104, 108, 112, 116 geradlinige, quadratische oder andere polygonale Querschnitte aufweisen oder können in der Form von Spiralen vorgesehen sein, die um die Längsachse 120 gespult sind, oder können in der Form einer Reihe oder eines Stapels aus Ringen vorgesehen sein, die axial entlang der Längsachse 120 beabstandet sind. Ferner ist der Anzahl von Elektroden 104, 108, 112, 116 im Allgemeinen keine Einschränkung auferlegt, solange die Elektroden 104, 108, 112, 116 konfiguriert sind, um ein zweidimensionales elektrisches HF-Feld in dem Innenraum zu erzeugen, um den Ionenstrahl auf die hierin offenbarte Weise zu steuern. Bei einigen Implementierungen umfasst der Elektrodensatz zumindest zwei gegenüberliegende Elektrodenpaare, die einer Quadrupolanordnung aus Elektroden entsprechen. Somit ist in 1 relativ zu der Längsachse 120 eine Elektrode 104 radial gegenüberliegend zu einer anderen Elektrode 108 angeordnet (wie z. B. entlang der y-Achse) und eine andere Elektrode 112 ist radial gegenüberliegend zu einer wiederum anderen Elektrode 116 angeordnet (wie z. B. entlang der x-Achse). Bei anderen Implementierungen können mehr als vier Elektroden vorgesehen sein, wie z. B, in einer Hexapolar-, Oktopolar-, Dekapolar- und Dodekapolar-Anordnung, sowie Anordnungen, die mehr als zwölf Elektroden umfassen. Bei wiederum anderen Implementierungen, wie z. B. in dem Fall von spiralförmigen Elektroden, können ab zwei Elektroden verwendet werden.
2 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines anderen Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 200 gemäß anderen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung. Der Klarheit halber ist nur eine Teilanordnung von radial gegenüberliegenden Elektrodenpaaren dargestellt. Diese Ionentransportvorrichtung 200 kann derart betrachtet werden, dass sie eine Reihe aus Multipolionentransportvorrichtungen aufweist, die entlang einer Längsachse 220 angeordnet sind, oder dass sie eine segmentierte Elektrodenkonfiguration aufweist. Die Ionentransportvorrichtung 200 umfasst einen ersten Satz 206 aus Elektroden, die einem Ioneneintrittsabschnitt 260 entsprechen, und einen zweiten Satz 210 aus Elektroden, die einem Ionenaustrittsabschnitt 264 entsprechen. Die Ionentransportvorrichtung 200 kann ferner einen oder mehrere andere Sätze 214 aus Elektroden umfassen, die einem oder mehreren Zwischenabschnitten 268 entsprechen. Der Innenraum, der durch den ersten Satz 206 aus Elektroden umschrieben wird, kann als eine Ioneneintrittsregion (oder erste Ionentransportregion) bezeichnet werden, wobei der Innenraum, der durch den zweiten Satz aus Elektroden 210 umschrieben ist, als eine Ionenaustrittsregion (oder zweite Ionentransportregion) bezeichnet werden kann, und der Innenraum, der durch den dritten Satz 214 aus Elektroden umschrieben ist, kann als eine Zwischenregion bezeichnet werden (oder dritte Ionentransportregion), usw. Die Sätze 206, 214, 210 aus Elektroden sind bei diesem Beispiel durch axiale Zwischenräume getrennt. Eine oder mehrere Ioneneintrittslinsen 232 und Ionenaustrittslinsen 236 können ebenfalls umfasst sein. Wie schematisch in 2 gezeigt ist, können entsprechende DC-Spannungsquellen 248, 250, 252, 254, 256 in elektrischer Kommunikation mit den Ioneneintrittslinsen 232, den Elektrodensätzen 206, 214, 210 und den Ionenaustrittslinsen 236 platziert sein, um Ionen in die, durch die und aus der Ionentransportvorrichtung 200 zu treiben.
3 ist eine schematische Endansicht in der Transversal- oder x-y-Ebene eines Elektrodensatzes einer Ionentransportvorrichtung 300 an ihrem Ioneneintrittsende. Der Elektrodensatz kann dem Elektrodensatz entsprechen, der in 1. dargestellt ist, oder dem ersten Elektrodensatz 206, der in 2 dargestellt ist. Bei diesem Beispiel umfasst der Elektrodensatz ein erstes Paar aus gegenüberliegenden Elektroden 304, 308 und ein zweites Paar aus gegenüberliegenden Elektroden 312, 316. Üblicherweise ist das gegenüberliegende Elektrodenpaar 304 und 308 elektrisch verbunden, und das andere gegenüberliegende Elektrodenpaar 312 und 316 ist elektrisch verbunden, um das Anlegen von entsprechenden HF-Spannungssignalen zu ermöglichen, die das zweidimensionale Ionenleitfeld treiben. Jede Elektrode 304, 308, 312 und 316 ist üblicherweise an derselben radialen Distanz r₀ von einer Längs-z-Achse 320 beabstandet wie die anderen Elektroden 304, 308, 312 und 316. Somit ist der Innenraum der Ionentransportvorrichtung 300 im Allgemeinen in der Transversalebene durch einen Kreis eines eingetragenen Radius r₀ begrenzt. Der Innenraum der Ionentransportvorrichtung 300 und die Ionenleitregion, in der zweidimensionale (radiale) Ablenkungen der Ionen durch das angelegte HF-Fokussierfeld begrenzt sind, sind im Allgemeinen innerhalb dieses eingetragenen Kreises definiert.
Die Ionentransportvorrichtung 300 umfasst ein Bauelement oder eine Einrichtung zum Erzeugen von einem oder mehreren zweidimensionalen elektrischen HF-Feldern in einer oder mehreren entsprechenden Ionentransportregionen, um Ionen auf einen konvergierenden Ionenstrahl zu begrenzen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Diese Bauelemente oder Einrichtungen können in einer oder mehreren HF-(oder HF/DC-)Spannungsquellen oder Signalgeneratoren verkörpert sein. Somit, um bei dem dargestellten Beispiel das oder die Ionenfokussierungs- oder Leitungs-Felder zu erzeugen, ist eine Hochfrequenz-(HF- bzw. RF-)Spannung der allgemeinen Form V_HF cos(ωt) an gegenüberliegende Paare verbundener Elektroden 304, 308 und 312, 316 angelegt, wobei das Signal, das an das eine Elektrodenpaar 304, 308 angelegt ist, 180° gegenphasig im Hinblick auf das Signal ist, das an das andere Elektrodenpaar 312, 316 angelegt ist. In 3 ist die Anwendung von HF-Energie schematisch durch eine HF-Spannungsquelle (+V_HF) 362 in Signalkommunikation mit dem ersten Elektrodenpaar 304, 308 dargestellt und eine andere HF-Spannungsquelle (–V_HF) 366 in Signalkommunikation mit dem zweiten Elektrodenpaar 312, 316. Bei einer segmentierten Ionentransportvorrichtung, wie z. B. in 2 dargestellt ist, kann jedes Elektrodenpaar in jedem Abschnitt verbunden sein und HF-Spannungen an dasselbe auf ähnliche Weise angelegt sein. Bei Implementierungen, bei denen erwünscht ist, dass die Ionentransportvorrichtung 300 als ein Massenfilter oder Massensortierer funktioniert, können entsprechende DC-Spannungen (±U) auf die HF-Spannungen (±V_HF) überlagert sein, die angelegt sind. Diese DC-Spannungen sind nicht zu verwechseln mit den oben erwähnten, axialen DC-Potentialen, die zum Erzeugen von axialen DC-Feldern verwendet werden. Die grundlegenden Theorien und Anwendungen im Hinblick auf die Erzeugung von Multipol-HF-Feldern für Ionen-Fokussierung, -Führung oder -Einfangen, sowie zur Massenfilterung, Ionenfragmentierung, Ionenausstoß, Ionenisolierung und anderen verwandten Prozessen sind bekannt und müssen hierin somit nicht detailliert erläutert werden.
Bei den Beispielen, die in 1 bis 3 gegeben sind, besteht der Elektrodensatz aus vier Elektroden, die in parallelen und gegenüberliegenden, elektrisch verbundenen Paaren angeordnet sind. Wenn ein zweidimensionales HF-Begrenzungsfeld auf herkömmliche Weise an diesen Elektrodensatz angelegt ist, ist das Ergebnis ein reines symmetrisches Quadrupolar-HF-Feld, wo die Anzahl der Pole des elektrischen Feldes 2n ist und n = 2. in dem vorliegenden Kontext soll ein „reines” oder „überwiegendes” Quadrupolar-HF-Feld derart betrachtet werden, dass keine vorrangigen Multipol-HF-Felder höherer Ordnung vorhanden sind (beabsichtigt oder unbeabsichtigt), in Kombination mit dem Quadrupolfeld. Beispiele von HF-Feldern höherer Ordnung umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Hexapolfelder (n = 3), Oktopolfelder (n = 4), Dekapolfelder (n = 5) und Dodekapolfelder (n = 6). Im Allgemeinen ist die Feldstärke eines Multipol-HF-Feldes oder mehrerer Felder höherer Ordnung „vorrangig” (major), wenn sie ermöglicht, dass ein größerer Ionenstrahlquerschnitt in einem gegebenen Raum bewahrt wird im Vergleich zu dem Ionenstrahlquerschnitt, der sich aus einem Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung ergebnen würde, der an denselben Raum angelegt ist.
In dem vorliegenden Kontext können „vorrangige” Multipol-HF-Felder höherer Ordnung auch derart gekennzeichnet sein, dass sie einen wesentlichen Bruchteil der Feldstärke auf das (z. B. Quadrupol-) Feld niedrigerer Ordnung überlagern, das in einer bestimmten Ionentransportregion der Ionentransportvorrichtung angelegt ist. Als ein Beispiel wird betrachtet, dass in einer gegebenen Ionentransportregion ein zusammengesetztes HF-Feld vorhanden ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Kombination einer Quadrupol-Feldkomponente oder und einer oder mehrerer Multipol-Feldkomponenten höherer Ordnung aufweist. Damit die Multipol-Feldkomponente oder die mehreren Komponenten höherer Ordnung vorrangig bzw. major sind, kann das Multipol-HF-Feld höherer Ordnung (oder mehrere Felder in einem Fall, in dem mehr als ein Typ eines Multipol-Feldes höherer Ordnung überlagert ist) eine Stärke aufweisen, die 10% oder mehr der Stärke des angelegten Quadrupol-Feldes ist. Daher, wenn in einem reinen oder überwiegenden Quadrupol-HF-Feld Multipol-Felder höherer Ordnung vorhanden sind, ist die kollektive Stärke dieser Multipol-Felder höherer Ordnung weniger als 10% der Stärke des Quadrupol-Feldes.
Der Bequemlichkeit halber umfasst der Ausdruck „rein”, wie er hierin verwendet wird, sowohl „rein” (100% Feldstärke) als auch „überwiegend” oder „im Wesentlichen rein” (mehr als 90% Feldstärke). Der Ausdruck „rein” berücksichtigt ferner, dass bei praktischen Implementierungen relativ schwache (und manchmal sehr lokalisierte) Multipol-Felder höherer Ordnung unabsichtlich oder unvermeidbar aufgrund von Feldfehlern, Randeffekten oder Verzerrungen vorhanden sein können, die aus Verarbeitungs- und Anordnungsmängeln entstehen können, aus dem Vorhandensein von Aperturen oder anderen geometrischen Diskontinuitäten in den Elektroden, aus den notwendigerweise finiten Größen der Elektroden (d. h. echte Elektroden sind abgeschnitten; ihre Oberflächen erstrecken sich nicht unendlich hin zu den asymptotischen Linien der perfekten hyperbolischen Geometrie, die bei einem reinen elektrischen Quadrupol-Feld resultieren würde), aus der Verwendung von Elektroden mit Oberflächen, die von der idealen hyperbolischen Geometrie abweichen (z. B. zylindrische Stäbe, geradlinige Stangen oder Platten, etc.) Raumladungswirkungen, etc.
Bei einem reinen Quadrupol-Feld ist der Ionenstrahl relativ eng um die Längsachse konzentriert, um die die Elektroden angeordnet sind, und ist somit ungefähr wie ein länglicher Zylinder geformt. Ferner ist wiederum bei einer herkömmlichen Quadrupol-Stabanordnung das Quadrupol-HF-Feld, das aktiv in dem Innenraum des Elektrodensatzes ist, im Allgemeinen einheitlich entlang der Länge des Elektrodensatzes (d. h, von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende). Somit ist der Querschnittsbereich des Ionenstrahls – d. h. die Grenzen der Ablenkungen der Ionen in der Transversalebene – im Allgemeinen einheitlich oder konstant von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende. Das heißt, der Ionenstrahl weist eine im Allgemeinen zylindrische Form eines konstanten Querschnittsbereichs auf, und ist nicht konisch oder trichterförmig. Wiederum anders ausgedrückt divergiert oder konvergiert der Querschnittsbereich des Ionenstrahls nicht merklich. Auf ähnliche Weise, wenn ein zweidimensionales HF-Fokussierfeld herkömmlich an einen Elektrodensatz angelegt ist, der aus sechs parallelen Stäben besteht, wäre das Ergebnis ein Hexapol-HF-Feld. Der resultierende Ionenstrahl würde wiederum eine im Allgemeinen zylindrische Form eines konstanten Querschnittsbereichs von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende aufweisen. Der Querschnittsbereich eines Ionenstrahls in einem Hexapol-Feld ist jedoch größer als er es in einem reinen Quadrupol-Feld wäre. Ähnliche Ergebnisse werden für HF-Felder noch höherer Ordnung erhalten. In allen solchen herkömmlichen Fällen konvergiert der Ionenstrahl nicht und divergiert auch nicht.
3 zeigt schematisch den Querschnittsbereich 374 eines Ionenstrahls in einem Feld niedrigerer Ordnung, wie z. B. einem Quadrupol im Vergleich zu dem Querschnittsbereich 378 eines Ionenstrahls in einem Feld höherer Ordnung, wie z. B. einem Hexapol oder Oktopol, etc. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass diese Kreise mit gestrichelter Linie vorgesehen sind, um die Hüllkurve allgemein abzugrenzen, in der sich die Ionen des Ionenstrahls in der Transversalebene bewegen. In der Praxis kann der tatsächliche Querschnittsbereichs des Ionenstrahls eine eher elliptische Form aufweisen, wobei die Orientierung der Ellipse in der x-y-Ebene gemäß dem Zyklus der angewendeten HF-Energie variiert.
Im Gegensatz zu dem oben erwähnten, herkömmlichen HF-Feld, das eine im Allgemeinen konstante Zusammensetzung entlang der Längsachse aufweist, sind gemäß den vorliegenden Lehren der Elektrodensatz und/oder die Einrichtung zum Anlegen der HF-Spannungen an den Elektrodensatz derart konfiguriert, dass das HF-Feld entlang der Langsachse variiert. Bei verschiedenen hierin beschriebenen Implementierungen variiert das HF-Feld von dem Fall, dass es eine vorrangige Multipol-Feldkomponente höherer Ordnung an dem Ioneneintrittsende aufweist, dazu, dass es eine überwiegende Multipol-Feldkomponente niedrigerer Ordnung an dem Ionenaustrittsende aufweist. In dem vorliegenden Kontext sollen die Ausdrücke „höher” und „niedriger” relativ zueinander genommen werden. Wenn somit die Anzahl der Pole in dem Multipol-Feld höherer Ordnung als 2n₁ angenommen wird und die Anzahl der Pole in der Multipol-Feldkomponente niedrigerer Ordnung als 2n₂ angenommen wird, dann gilt n₁ > n₂. Als Ergebnis des axial variierenden HF-Felds konvergiert der Ionenstrahl in der Richtung des Ionenaustrittsendes und ist somit im Allgemeinen kegelförmig oder trichterförmig. Diese Konvergenz kann sich auf graduelle (z. B. sich verjüngende) Weise, auf stufenförmige Weise oder als eine Kombination aus gradueller und stufenförmiger Weise zeigen.
Der konvergierende Ionenstrahl kann visualisiert werden durch Vergleichen von 3 mit 4. Zu diesem Zweck kann 3 derart betrachtet werden, dass sie schematisch einen Ionenstrahl eines Querschnittsbereichs 378 unter dem Einfluss eines Multipol-HF-Felds höherer Ordnung an dem Ioneneintrittsende zeigt. An dieser axialen Position kann der Querschnittsbereich 378 des Ionenstrahls als Ioneneintrittsapertur oder Ionenakzeptanzapertur bezeichnet werden. 4 ist eine schematische Endansicht in der Transversal- oder x-y-Ebene desselben Elektrodensatzes, der in 3 dargestellt ist, aber an dem gegenüberliegenden Ionenaustrittsende der Ionentransportvorrichtung 300. 4 kann derart betrachtet werden, dass sie denselben Ionenstrahl zeigt wie in 3, aber an dem Ionenaustrittsende, wo der Ionenstrahl jetzt einen kleineren Querschnittsbereich 374 aufweist, aufgrund des größeren Fokussierungseinflusses des Multipol-HF-Felds niedrigerer Ordnung an dieser axialen Position. An dem Ionenaustrittsende kann der Querschnittsbereich 374 des Ionenstrahls als die Ionenaustrittsapertur oder Ionenemissionsapertur bezeichnet werden.
Der konvergierende Ionenstrahl kann weiter in 5 visualisiert sein, die eine Querschnittseiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 500 entlang ihrer Längsachse 520 ist. Der Einfachheit halber ist ein einzelnes Paar aus gegenüberliegenden Elektroden 504, 508 zusammen mit einem Ionenstrahl 570 in dem Innenraum zwischen diesen Elektroden 504, 508 dargestellt. Der Ionenstrahl 570 konvergiert in der Richtung der Ionenübertragung von einer relativ gesehen größeren (oder breiteren) Ionenakzeptanzapertur 578 zu einer relativ gesehen kleineren (oder schmäleren) Ionenemissionsapertur 574. Bei diesem Beispiel konvergiert der Ionenstrahl 570 auf graduelle oder sich verjungende Weise von einem Ioneneintrittsende 524 zu einem Ionenaustrittsende 528 und optional durch einen oder mehrere unterschiedliche Ionentransportabschnitte 560, 564, 568.
Im Vergleich ist 6 eine Querschnittseiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer anderen Ionentransportvorrichtung 600 entlang ihrer Längsachse 620. Bei diesem Beispiel sind Elektroden der Ionentransportvorrichtung 600 segmentiert, wodurch die Ionentransportvorrichtung 600 einen Ioneneintrittsabschnitt 660, einen Ionenaustrittsabschnitt 664 und optional einen oder mehrere Zwischenabschnitte 668 umfasst, wobei jeder derselben axial von den anderen beabstandet ist. Ferner ist ein Ionenstrahl 670 dargestellt, der in der Richtung einer Ionenübertragung von einer größeren Ionenakzeptanzapertur 678 zu einer kleineren Ionenemissionsapertur 674 konvergiert. Bei diesem Beispiel konvergiert der Ionenstrahl 670 auf stufenförmige Weise.
Andere Implementierungen können verschiedene Kombinationen der Merkmale oder Aspekte umfassen, die oben beschrieben und in 5 und 6 dargestellt sind, abhängig von der Konfiguration des Elektrodensatzes und/oder der Einrichtung zum Anlegen des einen oder der mehreren HF-Felder. Somit kann z. B. der nicht segmentierte Elektrodensatz, der in 5 gezeigt ist, den stufenweise konvergierenden Ionenstrahl 670 anlegen, der in 6 gezeigt ist. Alternativ kann der segmentierte Elektrodensatz, der in 6 gezeigt ist, den allmählich konvergierenden Ionenstrahl 570 anlegen, der in 5 gezeigt ist. Ferner, während die Größe des stufenweisen Ionenstrahls 670 in 6 derart dargestellt ist, dass sie konstant oder im Wesentlichen konstant über die Länge von jedem Ionentransportabschnitt 660, 664, 668 ist, kann der Ionenstrahl alternativ eine Hybrid-Verjüngungs/Stufen-Konvergenz aufweisen. Zum Beispiel kann der Querschnittsbereich des Ionenstrahls abwärts entlang der Länge des ersten Ioneneintrittsabschnitts 660 verjüngt sein, dann hinunter zu einem sogar noch weiter reduzierten Bereich an dem Anfang des nächstens Ionentransportabschnitts 668 gestuft sein, dann abwärts entlang der Länge dieses Abschnitts 668 verjüngt sein, dann abwärts zu einem sogar noch weiter reduzierten Bereich am Anfang des nächsten Ionentransportabschnitts 664, usw. Somit kann die Zusammensetzung des elektrischen HF-Felds, das an den Elektrodensatz entweder in 5 oder 6 angelegt ist (im Wesentlichen) einheitlich durch einen gegebenen Ionentransportabschnitt sein und sich nur merklich in einem benachbarten Ionentransportabschnitt ändern oder kann alternativ allmählich entlang dem axialen Ausmaß von zwei oder mehr Ionentransportabschnitten variieren, die für die Ionentransportvorrichtung definiert sind.
Ein axial variierendes HF-Feld gemäß der vorliegenden Offenbarung kann derart gekennzeichnet sein, dass es zumindest ein vorrangiges HF-Multipol-Feld höherer Ordnung an dem Ioneneintrittsende (oder in dem Ioneneintrittsabschnitt) und ein überwiegendes HF-Multipol-Feld niedrigerer Ordnung an dem Ionenaustrittsende (oder in dem Ionenaustrittsabschnitt) umfasst. Somit kann das HF-Feld z. B. ein vorrangiges Dodekapol-Feld an dem Ioneneintrittsende umfassen und kann überwiegend aus einem Quadrupol-Feld an dem Ionenaustrittsende bestehen. Für viele hierin offenbarte Implementierungen kann das angelegte elektrische zweidimensionale HF-Feld derart betrachtet werden, dass es eine Zusammensetzung aus zwei oder mehr Multipol-Feldkomponenten ist. Somit kann z. B. das HF-Feld ein vorrangiges Dodekapol-Feld umfassen, das auf ein Quadrupol-Feld an dem Ioneneintrittsende überlagert ist, und kann überwiegend aus einem Quadrupol-Feld an dem Ionenaustrittsende bestehen. An dem Ionenaustrittsende ist das Dodekapol-Feld – wenn es überhaupt existiert – geringer oder unwesentlich. Andere Multipolfeldkomponenten höherer Ordnung können in jedem gegebenen Ionentransportabschnitt der Ionentransportvorrichtung existieren, aber solche anderen Felder sind auf ähnliche Weise unwesentlich. Im Allgemeinen ist ein Multipol-Feld höherer Ordnung vorrangig (major), wenn es stark genug ist, einen vergrößerten Ionenstrahlquerschnitt im Vergleich zu einem Multipol-Feld niedrigerer Ordnung beizubehalten. Wie oben beschrieben wurde, kann die Wichtigkeit des Multipol-Felds höherer Ordnung bei einem nicht einschränkenden Beispiel quantifiziert werden durch Angeben, dass die Stärke des Multipol-Felds höherer Ordnung 10% oder mehr der Stärke des Feldes niedrigerer Ordnung ist, das an das Ionenaustrittsende angelegt ist. Zusätzlich zu dem vorrangigen Multipol-Feld höherer Ordnung, das an das Ioneneintrittsende angelegt ist und jeglichem vorrangigen (major) Multipol-Feld höherer Ordnung, das an einen Zwischenionentransportabschnitt angelegt ist, können andere Multipol-Feldkomponenten höherer Ordnung in jedem gegebenen Ionentransportabschnitt der Ionentransportvorrichtung existieren. Solche anderen Felder können jedoch unwesentlich (d. h. schwach) sein, was im Allgemeinen bedeutet, dass sie den beabsichtigten variierenden Querschnitt des Ionenstrahls nicht merkbar beeinflussen.
Das axial variierende HF-Feld, das den konvergierenden Ionenstrahl verursacht, kann durch verschiedene Kombinationen von Multipol-Feldkomponenten realisiert werden. Als einige Beispiele kann der Ioneneintrittsabschnitt ein Dodekapol-Feld umfassen, während der Ionenaustrittsabschnitt ein Oktopol-, Hexapol- oder Quadrupol-Feld umfasst. Als wertere Beispiele kann der Ioneneintrittsabschnitt ein Oktopol-Feld umfassen, während der Ionenaustrittsabschnitt ein Hexapol- oder Quadrupol-Feld umfasst. Ms ein anderes Beispiel kann der Ioneneintrittsabschnitt ein Hexapol-Feld umfassen, während der Ionenaustrittsabschnitt ein Quadrupol-Feld umfasst. Bei anderen Beispielen kann das Multipol-Feld höherer Ordnung, das an dem Ioneneintrittsabschnitt von Bedeutung ist, von höherer Ordnung sein als 12-polig, d. h. n > 6. Zusätzliche Variationen sind möglich, wenn die Ionentransportvorrichtung partitioniert ist, um einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte zu umfassen, ob mittels einer axialen Segmentierung des Elektrodensatzes oder durch eine andere Elektrodenkonfiguration. Als Beispiele kann der Ioneneintrittsabschnitt ein Dodekapolfeld umfassen, ein Zwischenabschnitt kann ein Oktopol- oder Hexapol-Feld umfassen und der Ionenaustrittsabschnitt kann ein Quadrupol-Feld umfassen. Als ein anderes Beispiel kann der Ioneneintrittsabschnitt ein Oktopol-Feld umfassen, ein Zwischenabschnitt kann ein Hexapol-Feld umfassen und der Ionenaustrittsabschnitt kann ein Quadrupol-Feld umfassen. Als ein anderes Beispiel kann der Ioneneintrittsabschnitt ein Dodekapolfeld umfassen, ein Zwischenabschnitt kann ein Oktopol-Feld umfassen und der Ionenaustrittsabschnitt kann ein Hexapol-Feld umfassen.
Bei den obigen Beispielen ist die Anzahl der bereitgestellten Elektroden ein Mehrfaches von zwei. Alternativ jedoch kann die Anzahl der Elektroden in dem Elektrodensatz eine ungerade Zahl sein, z. B. drei, fünf, sieben, etc. Auch bei den obigen Beispielen kann das Feld niedrigster Ordnung, das erwähnt wird, das Quadrupol-Feld sein. Das Feld niedrigster Ordnung jedoch, das an das Ionenaustrittsende angelegt ist (oder in den Ionenaustrittsabschnitt) ein Tripol sein, d. h. 2n = 3 Pole, wobei n = 3/2. Ein Tripol-Feld kann durch jeden geeignet konfigurierten Elektrodensatz realisiert werden. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel sind drei parallele Elektroden vorgesehen (nicht gezeigt). Die Elektroden sind entlang der Längsachse verlängert und symmetrisch voneinander in der Transversalebene um die Längsachse beabstandet, d. h. die Elektroden sind 120° voneinander positioniert. Die entsprechenden HF-Signale, die an die drei Elektroden angelegt sind, unterscheiden sich in ihrer Phase um 120°.
Dementsprechend ist bei einigen Implementierungen, bei denen die Ionentransportvorrichtung zumindest ein Ioneneintrittsende und ein Ionenaustrittsende umfasst, die Mehrzahl der Elektroden konfiguriert zum Anlegen eines elektrischen HF-Felds, das entlang der Längsachse derart variiert, dass an dem Ioneneintrittsende (oder in einem zugeordneten Ioneneintrittsabschnitt) das elektrische HF-Feld eine vorrangige erste Multipolkomponente von 2n₁ Polen aufweist, wobei n₁ > 3/2, und an dem Ionenaustrittsende (oder in einem zugeordneten Ionenaustrittsabschnitt) das elektrische HF-Feld überwiegend eine zweite Multipolkomponente mit 2n₂ Polen aufweist, wo n₂ ≥ 3/2 und n₂ < n₁. Bei anderen Implementierungen, bei denen die Ionentransportvorrichtung zusätzlich zumindest einen Zwischenionentransportabschnitt umfasst, kann die Mehrzahl der Elektroden konfiguriert sein zum Anlegen eines elektrischen HF-Felds, das entlang der Längsachse derart variiert, dass an dem Zwischenabschnitt das elektrische HF-Feld eine vorrangige dritte Multipol-Komponente mit 2n₃ Polen aufweist, wobei n₃ > n₂ und n₃ < n₁ (n₁ > n₃ > n₂).
Aus dem Vorangehenden ist offensichtlich, dass Implementierungen der vorliegenden Lehren eine verbesserte Ionentransmissionseffizienz liefern können und ein Fokussieren für verschiedene Anwendungen, die die Verarbeitung von Ionen betreffen, wie z. B. Massenspektrometrie. Vorteile werden erreicht durch Vergrößern der Ionenakzeptanzapertur an dem Ioneneintrittsende und Verkleinern der Ionenemissionsapertur an dem Ionenaustrittsende. Im Vergleich zu herkömmlichen Ionentransport- oder Leitvorrichtungen erlaubt die vergrößerte Ionenakzeptanzapertur, dass eine größere Anzahl von Ionen in das Bauelement von einem Bauelement in Verarbeitungsrichtung aufwärts eintritt (z. B. einer Ionenquelle, Kollisionszelle, etc.), und die verkleinerte Ionenemissionsapertur erlaubt, dass die Ionen zu einem nachgeordneten Bauelement (z. B. einem Masseanalysator, Kollisionszelle, etc.) mit erhöhter Effizienz und einem höheren Ionensignal übertragen werden. Durch den konvergierenden Ionenstrahl ist eine Ionentransportvorrichtung, wie sie hierin offenbart ist, in der Lage, den dispersiven Ionenstrahl, der in das Bauelement eintritt, in einen gut begrenzten Ionenstrahl zu richten und zu fokussieren, der zur Übertragung zum nächsten Bauelement optimiert ist. Optional kann ein Kollisionskühlen (oder Dämpfen) verwendet werden, um das Raumvolumen weiter zu reduzieren, das durch die Ionenphase an dem Austrittsende eingenommen wird, wodurch die Ionenübertragungseffizienz weiter erhöht wird. Ein Kollisionskühlen bringt üblicherweise die Einführung eines inerten Hintergrundgases (z. B. Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Xenon, Argon, etc.) in den Innenraum des Bauelements durch geeignete Mittel mit sich, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Das Ionentransportbauelement kann auf atmosphärischem, annähernd atmosphärischem oder Unterdruckpegeln arbeiten (z. B. bis zu ungefähr 10^–9 Torr).
Implementierungen, die hierin offenbart sind, können weiter durch die nachfolgenden Beobachtungen beschrieben werden. Das elektrische Potential bei einem Multipol-HF-Ionenleiter kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei r eine radiale Position in dem elektrischen HF-Feld relativ zu der Langsachse ist, 2r₀ die Distanz zwischen zwei gegenüberliegenden Stäben ist, 2n die Anzahl der Stäbe ist, V die Amplitude der HF-Spannung angelegt an die Stäbe ist, φ die Phase der HF-Spannung ist, Ω die Winkelfrequenz der HF-Spannung ist und t die Zeit ist.
Aus Gleichung (1) kann das Pseudopotential des elektrischen HF-Multipol-Felds wie folgt ausgedrückt werden:
wobei m die Masse des Ions ist, die Einheit der Ladung e = 1,602 × 10^–19 ist, und z die Zahl der Ladung der Ionen ist (Guo-Zhong Li und Joseph A. Jarrell, Proc. 46th ASMS Conference an Mass Spectrometry and Allied Topics, Orlando, Florida, 1998, S. 491).
7 ist eine Gruppe aus Skizzen, die die Pseudopotentiale eines Quadrupol-, Hexapol- und Oktopol-HF-Felds darstellen. Aus 7 ist deutlich, dass die Akzeptanzellipse eines Multipolionenleiters mit einer größeren Anzahl aus Stäben größer ist als die eines Multipolionenleiters mit einer geringeren Anzahl aus Stäben. 7 ist eine Gruppe aus Skizzen, die Ionenverteilungen in einem Quadrupol-, Hexapol- und Oktopol-HF-Feld darstellt, d. h. die Radialionendichteverteilungen, wenn Ionen in das elektrische HF-Feld eintreten und ein Equilibrium erreichen. 8 zeigt, dass die Ionenradialverteilung in einem elektrischen Quadrupol-(n = 2)HF-Feld näher an der Mittelachse ist als die in einem elektrischen Multipol-(n ≥ 3)HF-Feld höherer Ordnung. Somit ist die Ionenübertragungseffizienz von einem niedrigeren elektrischen HF-Feld, wie z. B. einem elektrischen Quadrupol-Feld zu dem Massenanalysator höher als die von einem höheren elektrischen HF-Feld zu dem Massenanalysator. Die Informationen, die in 7 und 8 vorgelegt werden, zeigen an, dass eine optimale Ionenübertragung durch eine Ionentransportvorrichtung erreicht werden kann durch Bereitstellen eines Multipol-HF-Felds höherer Ordnung an dem Ioneneintrittsende und einem Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung an dem Ionenaustrittsende.
Weitere Beschreibungen der vorliegenden Lehren werden als zusätzliche Bespiele gegeben, die nachfolgend ausgeführt sind.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 900 gemäß einigen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 900 umfasst einen Ioneneintrittsabschnitt 960, einen Ionenaustrittsabschnitt 964 und optional einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte 968. Der Einfachheit halber ist nur ein Zwischenabschnitt 968 dargestellt und beschrieben. Der Ioneneintrittsabschnitt 960 umfasst einen ersten Satz aus Elektroden 906, der Ionenaustrittsabschnitt 964 umfasst einen zweiten Satz aus Elektroden 910 und der Zwischenabschnitt 968, falls vorhanden, umfasst einen dritten Satz aus Elektroden 914. Bei diesem Beispiel umfasst jeder Abschnitt 960, 964, 968 dieselbe Anzahl von Elektroden. Die Anzahl der Elektroden und die Art und Weise, wie sie strukturiert sind, und die Art und Weise, wie HF-Signale an die Elektroden angelegt sind, sind derart, dass die Ionentransportvorrichtung 900 ein Multipol-HF-Feld höherer Ordnung in dem Ioneneintrittsabschnitt 960, ein Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung in de Ionenaustrittsabschnitt 964 und ein anderes Multipol-HF-Feld höherer Ordnung in dem Zwischenabschnitt 968 (falls vorhanden) erzeugt, das von einer niedrigeren Ordnung ist als das elektrische Feld in dem Ioneneintrittsabschnitt 960, aber von höherer Ordnung als das elektrische Feld in dem Ionenaustrittsabschnitt 964. Beispielsweise und nicht einschränkend umfasst in 9 jeder Ionentransportabschnitt 960, 964, 968 zwölf Elektroden, länglich entlang der Längsachse und umfangsmäßig um die Längsachse angeordnet.
10A, 10B und 10C sind schematische Querschnittsansichten der Elektrodensätze 906, 914, 912 in dem Eintrittsabschnitt 960, Zwischenabschnitt 968 bzw. Austrittsabschnitt 964. 10A, 10B und 10C stellen ferner dar, wie die HF-Spannungen an die Elektroden in jedem entsprechenden Abschnitt 960, 968, 964 angelegt sind. Einer oder mehrere der Elektrodensätze 906, 914, 912 können in Gruppen aus m Elektroden unterteilt sein. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Anzahl der Elektroden in jeder Gruppe 1080 des ersten Elektrodensatzes 906 m₁ = 1, die Anzahl der Elektroden in jeder Gruppe 1084 des zweiten Elektrodensatzes 912 ist m₂ = 3 und die Anzahl der Elektroden in jeder Gruppe 1088 des dritten Elektrodensatzes 914 ist m₃ = 2. Somit umfasst bei dem Beispiel der 12-Elektroden-Anordnung der erste Elektrodensatz 906 zwölf Gruppen 1080 aus einer Elektrode, der zweite Elektrodensatz 912 umfasst vier Gruppen 1084 aus drei Elektroden und der dritte Elektrodensatz 914 umfasst sechs Gruppen 1088 aus zwei Elektroden. Jede Elektrodengruppe 1080, 1084, 1088 ist radial in der Transversalebene gegenüberliegend zu einer anderen Elektrodengruppe positioniert. Wie durch die „+” und „–”-Zeichen an den Elektroden angezeigt ist, ist die HF-Spannung, die an jedes Paar aus gegenüberliegenden Elektroden angelegt ist (oder Paar aus gegenüberliegenden Gruppen 1080, 1084, 1088 aus Elektroden), 180° gegenphasig zu der HF-Spannung, die an die benachbarten Elektroden (oder Gruppen 1080, 1084, 1088 aus Elektroden) auf jeder Seite dieses Paars angelegt ist. Das Ergebnis bei dem dargestellten Beispiel ist, dass der erste Elektrodensatz 906 ein vorrangiges Dodekapol-HF-Feld in der Ioneneintrittsregion 960 anlegt, der zweite Elektrodensatz 912 ein vorrangiges Quadrupol-HF-Feld in der Ionenaustrittsregion 964 anlegt und der dritte Elektrodensatz 914 ein vorrangiges Hexapol-Feld in dem Zwischenabschnitt 968 anlegt. Das HF-Feld variiert somit in der axialen Richtung von einem Dodekapol-HF-Feld zu einem Quadrupol-HF-Feld. Wenn der Zwischenionentransportabschnitt 968 vorgesehen ist, variiert das HF-Feld in der axialen Richtung von einem Dodekapol-HF-Feld zu einem Hexapol-HF-Feld und dann zu einem Quadrupol-HF-Feld.
Wie es weiter vorne in dieser Offenbarung näher beschrieben wurde, kann die Ionentransportvorrichtung 100 nach Bedarf modifiziert oder konfiguriert werden, um in jedem bestimmten Ionentransportabschnitt 960, 964, 968 andere HF-Feld-Typen zu erzeugen. Als ein Beispiel kann ein Acht-Elektroden-Satz verwendet werden, um ein starkes Oktopol- oder Quadropol-HF-Feld zu erzeugen, abhängig davon, wie die Elektroden gruppiert sind. Als weiteres Beispiel kann cm 16-Elektroden-Satz verwendet werden, um ein starkes 16-Pol-, Oktopol- oder Quadropol-HF-Feld zu erzeugen. Es ist auch klar, dass ein konvergierender Ionenstrahl realisiert werden kann, ohne zu erfordern, dass jeder Ionentransportabschnitt 960, 964, 968 ein anderes HF-Feld anlegt. Als Beispiele könnten der Ioneneintrittsabschnitt 960 und jeder Zwischenabschnitt 968 benachbart zu demselben beide ein Dodekapol-Feld anlegen, während der Ionenaustrittsabschnitt 964 ein Quadropol-Feld anlegt, oder der Ioneneintrittsabschnitt 960 könnte ein Dodekapol-Feld anlegen, während der Ionenaustrittsabschnitt 964 und jeder Zwischenabschnitt 968 benachbart zu demselben beide ein Quadropol-Feld anlegen könnten, usw.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1100 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1100 umfasst einen Ioneneintrittsabschnitt 1160, einen Ionenaustrittsabschnitt 1164 und optional einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte (nicht gezeigt). Der Ioneneintrittsabschnitt 1160 umfasst einen ersten Satz 1106 von Elektroden 1160, und der Ionenaustrittsabschnitt 1164 umfasst einen zweiten Satz 1112 von Elektroden. Bei diesem Beispiel umfasst jeder Abschnitt 1160, 1164 eine unterschiedliche Anzahl von Elektroden. Die Anzahl der Elektroden und die Art und Weise, wie dieselben strukturiert sind, und die Art und Weise, wie HF-Signale an die Elektroden angelegt sind, sind derart, dass die Ionentransportvorrichtung 1100 in dem Ioneneintrittsabschnitt 1160 ein Multipol-HF-Feld höherer Ordnung und in dem Ionenaustrittsabschnitt 1164 ein Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung erzeugt. Beispielhaft und nicht begrenzend erstrecken sich in 11 die Elektroden in jedem Ionentransportabschnitt 1160, 1164 länglich entlang der Längsachse und sind umfangsmäßig um die Längsachse herum angeordnet. Der Ioneneintrittsabschnitt 1160 umfasst zwölf Elektroden 1106 und der Ionenaustrittsabschnitt 1164 umfasst vier Elektroden 1112. Ein oder mehrere Zwischenabschnitte, falls dieselben vorgesehen sind, könnten eine Anzahl von Elektroden zwischen vier und zwölf umfassen.
12A und 12B sind schematische Querschnittsansichten der Elektrodensätze 1106, 1112 in dem Ioneneintrittsabschnitt 1160 bzw. dem Ionenaustrittsabschnitt 1164. 12A und 12B stellen auch dar, wie die HF-Spannungen in jedem jeweiligen Abschnitt 1160, 1164 an die Elektroden 1106, 1112 angelegt sind. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel ist die HF-Spannung, die an jedes Paar von gegenüberliegenden Elektroden angelegt ist, 180° phasenverschoben mit der HF-Spannung, die an die benachbarten Elektroden auf jeder Seite dieses Paars angelegt ist. Als Folge legt der erste Elektrodensatz 1106 ein vorrangiges Dodekapol-HF-Feld in der Ioneneintrittsabschnitt 1160 an, und der zweite Elektrodensatz 1112 legt ein überwiegendes Quadropol-HF-Feld in der Ionenaustrittsabschnitt 1164 an, und ein Zonenstrahl durch die Ionentransportvorrichtung 1100 wird konvergent sein, wie es oben beschrieben ist. Wie bei vorhergehenden Beispielen könnten ein oder mehrere axial dazwischenliegende Ionentransportabschnitte (nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um ein oder mehrere HF-Felder einer Zwischenordnung relativ zu den HF-Feldern anzulegen, die in dem Ioneneintrittsabschnitt 1160 und dem Ionenaustrittsabschnitt 1164 angelegt sind. Wie bei dem in 9 bis 10C dargestellten Beispiel ist die Ionentransportvorrichtung 1100 nicht auf das Anlegen eines Dodekapol-HF-Felds und eines Quadropol-HF-Felds begrenzt; andere HF-Feld-Typen können verwendet werden. Außerdem, wie bei dem vorhergehenden Beispiel, können ein oder mehrere Elektrodensätze in Gruppen von m Elektroden unterteilt werden. Somit können beispielsweise die Elektroden in dem ersten Elektrodensatz 1106 gruppiert werden, um ein Hexapol-Feld anzulegen.
13 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1300 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1300 kann einen Ioneneintrittsabschnitt 1360, einen Ionenaustrittsabschnitt 1364 und optional einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte 1368 umfassen, die alle axial entlang einer Längsachse 1320 positioniert sind. Die Ionentransportvorrichtung 1300 umfasst eine Mehrzahl von Elektroden, die sich länglich entlang der Längsachse 1320 erstrecken und umfangsmäßig um die Langsachse 1320 herum angeordnet sind. Der Einfachheit halber sind nur drei Elektroden dargestellt. Die Elektroden 1304, 1308, 1316 beginnen an einem Ioneneintrittsende 1324 und erstrecken sich durch die Abschnitte zu einem Ionenaustrittsende 1328 hin. Die Anzahl der Elektroden und die Art und Weise, wie dieselben strukturiert sind, und die Art und Weise, wie HF-Signale an die Elektroden angelegt sind, sind derart, dass die Ionentransportvorrichtung 1300 an dem Ioneneintrittsende 1324 (oder in denn Ioneneintrittsabschnitt 1360) ein Multipol-HF-Feld höherer Ordnung, an dem Ionenaustrittsende 1328 (oder in dem Ionenaustrittsabschnitt 1364) ein Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung, und in dem Zwischenabschnitt 1368 (falls derselbe vorgesehen ist) ein anderes Multipol-HF-Feld höherer Ordnung erzeugt, das von niedrigerer Ordnung ist als das elektrische Feld an dem Ioneneintrittsende 1324, aber höherer Ordnung als das elektrische Feld an dem Ionenaustrittsende 1328. Bei diesem Beispiel wird das axial variierende HF-Feld dadurch erreicht, dass einige der Elektroden 1304, 1308 einen variablen Radius und somit einen variablen Querschnitt haben. Die Reduzierung der Querschnittsfläche kann allmählich erreicht werden, auf eine sich verjüngende Weise in der axialen Richtung zu dem Ionenaustrittsende 1328 hin. Somit sind die Querschnittsflächen der sich verjüngenden Elektroden 1304, 1308 (in der Transversalebene) an dem Ioneneintrittsende 1324 größer als an dem Ionenaustrittsende 1328. Die Reduzierung der Querschnittsfläche kann alternativ stufenweise erreicht werden anstatt einer allmählichen Verjüngung, oder eine Kombination von sich verjüngenden und gestuften Merkmalen kann implementiert werden. An dem Ioneneintrittsende 1324 können die Querschnittsflächen der Elektroden 1304, 1308 mit variierendem Radius gleich sein wie diejenige der Elektroden 1316 mit konstantem Radius.
14 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1400 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1400 kann einen Ioneneintrittsabschnitt 1460, einen Ionenaustrittsabschnitt 1464 und einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte 1468 umfassen, die alle axial entlang einer Längsachse 1420 positioniert sind. Die Ionentransportvorrichtung 1400 umfasst eine Mehrzahl von Elektroden, die sich länglich entlang der Längsachse 1420 erstrecken und umfangsmäßig um die Längsachse 1420 herum angeordnet sind. Der Einfachheit halber sind nur drei Elektroden 1404, 1408, 1416 dargestellt. Die Elektroden 1404, 1408, 1416 beginnen an einem Ioneneintrittsende 1424 und erstrecken sich durch die Abschnitte zu einem Ionenaustrittsende 1428 hin. Die Anzahl der Elektroden und die Art und Weise, wie dieselben strukturiert sind, und die Art und Weise, wie HF-Signale an die Elektroden angelegt sind, sind derart, dass die Ionentransportvorrichtung 1400 an dem Ioneneintrittsende 1424 (oder in dem Ioneneintrittsabschnitt 1460) ein Multipol-HF-Feld höherer Ordnung, an dem Ionenaustrittsende 1428 (oder in dem Ionenaustrittsabschnitt 1464) ein Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung, und in dem Zwischenabschnitt 1468 (falls derselbe vorgesehen ist) ein anderes Multipol-HF-Feld höherer Ordnung erzeugt, das von niedrigerer Ordnung ist als das elektrische Feld an dem Ioneneintrittsende 1424, aber höherer Ordnung als das elektrische Feld an dem Ionenaustrittsende 1428. Bei diesem Beispiel wird das axial variierende HF-Feld dadurch erreicht, dass einige der Elektroden 1404, 1408 variierende Querschnittsflächen aufweisen, die reduziert werden, wie z. B. durch allmähliches Verjüngen und/oder stufenweise, an einem oder mehreren Punkten in der axialen Richtung zu dem Ionenaustrittsende 1428 hin. Darüber hinaus sind einige oder alle der Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius kürzer als die Elektroden 1416 einheitlicher Größe. Somit beginnen sowohl die Elektroden 1416 einheitlicher Größe als auch die Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius an dem Ioneneintrittsende 1424, aber nur die Elektroden 1416 einheitlicher Größe können sich tatsächlich vollständig zu dem Ionenaustrittsende 1428 erstrecken. Die axialen Enden der Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius gegenüber dem Ioneneintrittsende 1424 können beispielsweise an dem Ende des Zwischenionentransportabschnitts 1468 angeordnet sein, wie es in 14 dargestellt ist. Auf diese Weise üben die Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius keinen Einfluss auf das HF-Feld aus, das an den Ionenaustrittsabschnitt 1428 angelegt ist. Alternativ können sich die Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius teilweise (nicht gezeigt) in den Ionenaustrittsabschnitt 1464 erstrecken. In jedem Fall tragen die Elektroden mit variierendem Radius nicht zu dem HF-Feld an dem Ionenaustrittsende 1428 bei.
15A, 15B und 15C sind schematische Querschnittsansichten der Elektrodensätze in dem Eintrittsabschnitt 1460, Zwischenabschnitt 1468 bzw. Austrittsabschnitt 1464 der in 14 dargestellten Ionentransportvorrichtung 1400. 15A, 15B und 15C stellen auch dar, wie die HF-Spannungen in jedem jeweiligen Abschnitt 1460, 164, 1468 an die Elektroden angelegt sind. Bei diesem Beispiel gibt es zwölf Elektroden. Zwei gegenüberliegende Paare von Elektroden mit konstantem Radius (z. B. 1416, 1512) sind 90° voneinander positioniert. Vier gegenüberliegende Paare von Elektroden mit variierendem Radius (z. B. 1404, 1408) sind zwischen den Elektroden 1416, 1512 mit konstantem Radius positioniert, so dass zwei Elektroden mit variierendem Radius umfangsmäßig auf jeder Seite jeder Elektrode mit konstantem Radius angeordnet sind. Bei dem vorliegenden Beispiel sind Querschnittsflächen von sowohl den Elektroden 1416, 1512 mit konstantem Radius als auch den Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius an dem Ioneneintrittsende gleich, wie es in 15A gezeigt ist. Wie es in 15B gezeigt ist, sind die Querschnittsflächen der Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius geringer als die Querschnittsflächen der Elektroden 1416, 1512 mit konstantem Radius in dem Zwischenabschnitt 1468. Wie es in 15C gezeigt ist, sind die Elektroden 1404, 1408 mit variierendem Radius vor dem Ionenaustrittsabschnitt 1464 (oder bei einer anderen Implementierung zumindest vor dem Ionenaustrittsende) abgeschlossen, so dass nur die Elektroden 1416, 1512 mit konstantem Radius in dem Ionenaustrittsabschnitt 1464 (oder zumindest an dem Ionenaustrittsende) vorliegen. Bei diesem Beispiel, wie es durch ”+” und ”–” Vorzeichen angezeigt ist, ist die HF-Spannung, die an jede bestimmte Elektrode, unabhängig davon ob mit konstantem oder variierendem Radius, angelegt ist, 180° phasenverschoben mit der HF-Spannung, die an die benachbarte Elektrode auf jeder Seite dieser bestimmten Elektrode angelegt ist. Als Folge dieser Konfiguration variiert das angelegte HF-Feld axial von einem Dodekapol-Feld zu einem Multipol einer Zwischenordnung (z. B. Hexapol) zu einem Quadropol.
Bei anderen Implementierungen kann der Elektrodensatz in dem Ioneneintrittsabschnitt 1460 (15A) und/oder der Zwischenabschnitt 1468 (15B) gruppiert werden, um andere HF-Feldtypen anzulegen, wie es oben beschrieben ist.
Im Fall der in 13 dargestellten Ionentransportvorrichtung 1300 kann die Anordnung von Elektroden und entsprechenden HF-Spannungen ähnlich sein wie 15A an dem Ioneneintrittsende 1324 und 15B an dem Ionenaustrittsende 1328. Die HF-Spannung wird axial variieren von einem Feld höherer Ordnung (z. B. Dodekapol) zu einem Feld niedrigerer Ordnung (z. B. Hexapol). An dem Ionenaustrittsende 1328 können die Radien der Elektroden mit variierendem Radius 1304, 1308 jedoch klein genug sein, dass ein Quadropol-Feld an dem Ionenaustrittsende 1328 überwiegt, wie in dem Fall der in 14 dargestellten Ionentransportvorrichtung 1400.
16 ist eine Seiten-(Längs-)Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1600 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1600 umfasst einen Ioneneintrittsabschnitt 1660, einen Ionenaustrittsabschnitt 1664 und optional einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte 1668, die alle axial entlang einer Längsachse 1620 positioniert sind. Die Ionentransportvorrichtung 1600 umfasst eine Mehrzahl von Elektroden, einschließlich ersten Elektroden 1606 in dem Ioneneintrittsabschnitt 1660, zweiten Elektroden 1610 in denn Ionenaustrittsabschnitt 1664 und dritten Elektroden 1614 in dem Zwischenabschnitt 1668, falls derselbe vorgesehen ist. Die Elektroden 1606, 1610, 1614 sind umfangsmäßig um die Längsachse 1620 herum angeordnet, so dass zumindest ein Teil der Elektroden 1606, 1610, 1614 an einem radialen Abstand von der Längsachse 1620 in der Transversalebene angeordnet ist. Die ersten Elektroden 1606 sind um einen ersten axialen Abstand 1690 relativ zu der Langsachse 1620 voneinander beabstandet, und die zweiten Elektroden 1610 sind um einen zweiten axialen Abstand 1694 voneinander beabstandet, der größer ist als der erste axiale Abstand 1690. Die dritten Elektroden 1614 (falls dieselben vorgesehen sind) sind um einen dritten axialen Abstand 1698 voneinander beabstandet, der größer ist als der erste axiale Abstand 1690, aber geringer als der zweite axiale Abstand 1694. Folglich ist jeder Abschnitt 1660, 1664, 1668 der Ionentransportvorrichtung 1600 gekennzeichnet durch Elektroden mit unterschiedlicher axialer Beabstandung im Vergleich zu den anderen Abschnitten 1660, 1664, 1668. Bei dem in 16 speziell dargestellten Beispiel ist die axiale Beabstandung zwischen Elektroden in jedem gegebenen Abschnitt 1660, 1664, 1668 über die Erstreckung dieses Abschnitts 1660, 1664, 1668 einheitlich. Alternativ kann die axiale Beabstandung zwischen Elektroden in einem oder mehreren der Abschnitte 1660, 1664, 1668 auch variieren, z. B. kann sich die axiale Beabstandung in einem gegebenen Abschnitt in der Richtung durch diesen Abschnitt zu dem Ionenaustrittsende 1628 hin erhöhen.
Bei dem in 16 gegebenen Beispiel sind die Elektroden in der Form von Spiralen vorgesehen, die um die Langsachse 1620 gewickelt sind. Somit entspricht bei diesem Beispiel die axiale Beabstandung 1690, 1694, 1698 zwischen den Elektroden der Spiralsteigung der Elektroden. Somit erhöht sich die Spiralsteigung in der Richtung des Ionenaustrittsendes 1628 von einem Abschnitt zum anderen und/oder durch einzelne Abschnitte. Die Spiralsteigung kann allmählich oder in Stufen variiert werden. Wenn der Innendurchmesser der Spiralen fest ist, wird die Pseuopotentialwanne der Ionentransportvorrichtung 1600 allmählich oder in Stufen variiert, durch Variieren der Steigung in der Richtung zu dem Ionenaustrittsende 1628 hin. Bei dem vorliegenden Beispiel umfasst jeder Abschnitt 1660, 1664, 1668 jeweils zwei Elektroden 1606, 1610, 1614, an die HF-Spannungen 180° phasenverschoben angelegt sind. Mehr als zwei Elektroden können jedoch in einem bestimmten Abschnitt vorgesehen sein. Durch die dargestellte Konfiguration erzeugt die Ionentransportvorrichtung 1600 ein Multipol-HF-Feld höherer Ordnung in dem Ioneneintrittsabschnitt 1660, ein Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung in dem Ionenaustrittsabschnitt 1664, und ein zweites Multipol-HF-Feld höherer Ordnung in dem Zwischenabschnitt 1668, (falls derselbe vorgesehen ist) das von niedrigerer Ordnung ist als das elektrische Feld in dem Ioneneintrittsabschnitt 1660, aber höherer Ordnung als das elektrische Feld in dem Ionenaustrittsabschnitt 1664. Wie bei anderen hierin beschriebenen Implementierungen führt das axial variierende HF-Feld zu einem konvergierenden Ionenstrahl.
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1700 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1700 umfasst einen Ioneneintrittsabschnitt 1760, einen Ionenaustrittsabschnitt 1764 und optional einen oder mehrere Zwischenionentransportabschnitte 1768, die alle axial entlang einer Längsachse 1720 positioniert sind. Die Ionentransportvorrichtung 1700 umfasst eine Mehrzahl von Elektroden einschließlich ersten Elektroden 1706 in dem Ioneneintrittsabschnitt 1760, zweiten Elektroden 1710 in dem Ionenaustrittsabschnitt 1764 und dritten Elektroden 1714 in dem Zwischenabschnitt 1768, falls derselbe vorgesehen ist. Die Elektroden 1706, 1710, 1714 sind umfangsmäßig um die Langsachse 1720 herum angeordnet, so dass zumindest ein Teil der Elektroden 1706, 1710, 1714 an einem radialen Abstand von der Längsachse 1720 in der Transversalebene angeordnet ist. Die ersten Elektroden 1706 sind um einen ersten axialen Abstand 1790 relativ zu der Längsachse 1720 voneinander beabstandet, und die zweiten Elektroden 1710 sind um einen zweiten axialen Abstand 1794 voneinander beabstandet, der größer ist als der erste axiale Abstand 1790. Die dritten Elektroden 1714 (falls dieselben vorgesehen sind) sind um einen dritten axialen Abstand 1798 voneinander beabstandet, der größer ist als der erste axiale Abstand 1790 aber geringer als der zweite axiale Abstand 1794.
Folglich ist jeder Abschnitt 1760, 1764, 1768 der Ionentransportvorrichtung 1700 gekennzeichnet durch Elektroden mit unterschiedlicher axialer Beabstandung im Vergleich zu den anderen Abschnitten 1760, 1764, 1768. Bei dem in 17 speziell dargestellten Beispiel ist die axiale Beabstandung zwischen den Elektroden in jedem bestimmten Abschnitt 1760, 1764, 1768 einheitlich über die Erstreckung dieses Abschnitts 1760, 1764, 1768. Alternativ kann die axiale Beabstandung zwischen den Elektroden in einem oder mehreren der Abschnitte 1760, 1764, 1768 auch variieren, z. B. kann sich die axiale Beabstandung in einem bestimmten Abschnitt in der Richtung durch den Abschnitt zu dem Ionenaustrittsende 1728 hin erhöhen.
Bei dem in 17 gegebenen Beispiel sind die Elektroden in der Form einer Reihe oder eines Stapels von Ringen vorgesehen, die in der Transversalebene koaxial um die Längsachse 1720 herum angeordnet sind. Somit entspricht bei diesem Beispiel die axiale Beabstandung 1790, 1794, 1798 zwischen Elektroden dem axialen Abstand zwischen benachbarten Ringen. Somit erhöht sich der axiale Abstand in der Richtung des Ionenaustrittsendes 1728 von einem Abschnitt zum nächsten und/oder durch einzelne Abschnitte. Der axiale Abstand kann allmählich oder in Stufen variiert werden. Wenn der Innendurchmesser der Ringe fest ist, wird die Pseudopotenzialwanne der Ionentransportvorrichtung 1700 allmählich oder in Stufen vertieft, und die Ionenradialverteilung bewegt sich zu der Längsachse 1720 hin, durch Variieren des axialen Abstands in der Richtung zu dem Ionenaustrittsende 1728 hin. Bei dem vorliegenden Beispiel umfasst jeder Abschnitt 1760, 1764, 1768 jeweils zwei Elektroden 1706, 1710, 1714, an die HF-Spannungen 180° phasenverschoben angelegt sind. In einem bestimmten Abschnitt können jedoch mehr als zwei Elektroden vorgesehen sein. Durch die dargestellte Konfiguration erzeugt die Ionentransportvorrichtung 1700 ein Multipol-HF-Feld höherer Ordnung in dem Ioneneintrittsabschnitt 1760, ein Multipol-HF-Feld niedrigerer Ordnung in dem Ionenaustrittsabschnitt 1764 und ein zweites Multipol-HF-Feld höherer Ordnung in dem Zwischenabschnitt 1768 (falls derselbe vorgesehen ist), das von niedrigerer Ordnung ist als das elektrische Feld in dem Ioneneintrittsabschnitt 1760, aber höherer Ordnung als das elektrische Feld in dem Ionenaustrittsabschnitt 1764. Wie bei anderen hierin beschriebenen Implementierungen führt das axial variierende HF-Feld zu einem konvergierenden Ionenstrahl.
18 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1800 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1800 umfasst eine Mehrzahl von Elektroden, die sich länglich entlang einer Längsachse 1820 erstrecken, und umfangsmäßig um die Langsachse 1820 herum beabstandet sind. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst der Elektrodensatz ein gegenüberliegendes Paar von ersten Elektroden 1804, 1808, und ein gegenüberliegendes Paar von zweiten Elektroden 1812, 1816. Die ersten Elektroden 1804, 1808 und die zweiten Elektroden 1812, 1816 erstrecken sich entlang der Längsachse 1820 von einem Ioneneintrittsende 1824 zu einem Ionenaustrittsende 1828. Die ersten Elektroden 1804, 1808 umfassen jeweils eine erste Querschnittsfläche 1805 in der Transversalebene, und die zweiten Elektroden 1812, 1816 umfassen jeweils eine zweite Querschnittsfläche 1813 in der Transversalebene. Die jeweiligen Querschnittsflächen 1805, 1813 der ersten Elektroden 1804, 1808 und der zweiten Elektroden 1812, 1816 variieren entlang der Längsachse 1820 entweder allmählich (z. B. in einer sich verjungenden Weise), wie bei dem dargestellten Beispiel, oder stufenweise oder durch eine Kombination von sich verjüngenden und gestuften Merkmalen. Somit sind für die ersten Elektroden 1804, 1808 die Größen der ersten Querschnittsflächen 1805 an dem Ioneneintrittsende 1824 anders als an dem Ionenaustrittsende 1828, und für die zweiten Elektroden 1812, 1816 sind die Größen der zweiten Querschnittsflächen 1813 gleichermaßen an dem Ioneneintrittsende 1824 anders als an dem Ionenaustrittsende 1828. Bei dem in 18 speziell dargestellten Beispiel sind die ersten Querschnittsflächen 1805 an dem Ioneneintrittsende 1824 größer als an dem Ionenaustrittsende 1828, und die zweiten Querschnittsflächen 1813 sind an dem Ioneneintrittsende 1824 kleiner als an dem Ionenaustrittsende 1828. An dem Ioneneintrittsende 1824 sind die ersten Querschnittsflächen 1805 größer als die zweiten Querschnittsflächen 1813. An dem Ionenaustrittsende 1828 können die ersten Querschnittsflächen 1805 gleich oder im Wesentlichen gleich sein wie die zweiten Querschnittsflächen 1813. Die HF-Spannungen, die an die ersten Elektroden 1804, 1808 angelegt sind, sind 180° phasenverschoben mit den HF-Spannungen, die an die zweiten Elektroden 1812, 1815 angelegt sind. Durch diese Konfiguration erzeugt die Ionentransportvorrichtung 1800 ein HF-Feld, das von einem vorrangigen Multipol-HF-Feld höherer Ordnung an dem Ioneneintrittsende 1824 zu einem überwiegenden Quadropol-Multipol-HF-Feld an dem Ionenaustrittsende 1828 variiert. Wie bei anderen hierin beschriebenen Implementierungen führt das axial variierende HF-Feld zu einem konvergierenden Ionenstrahl.
Obwohl die Ionentransportvorrichtung 1800 bei der oben beschriebenen Implementierung zwei Paare von gegenüberliegenden Elektroden umfasst, können andere Implementierungen zusätzliche Elektroden umfassen, von denen einige oder alle variierende Querschnitte haben. Obwohl die Ionentransportvorrichtung 1800 bei der oben beschriebenen Implementierung so gesehen werden kann, dass dieselbe einen einzigen Satz von Elektroden umfasst, der sich von dem Ioneneintrittsende 1824 zu dem Ionenaustrittsende 1828 erstreckt, können andere Implementierungen zusätzliche Sätze von Elektroden in getrennten axial beabstandeten Ionentransportabschnitten umfassen, wobei eine oder mehrere Elektroden in einem oder mehreren der Ionentransportabschnitte variierende Querschnitte haben. Obwohl die Querschnitte 1805, 1813 bei der oben beschriebenen Implementierung der Elektroden eine geradlinige Form haben, können die Querschnitte 1805, 1813 bei anderen Implementierungen anderen Typen von polygonalen oder prismatischen Formen haben oder können gerundet sein (z. B. kreisförmig, elliptisch, hyperbolisch, usw.).
19 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionentransportvorrichtung 1900 gemäß anderen Implementierungen. Die Ionentransportvorrichtung 1900 in 19 kann als Variation der Ionentransportvorrichtung 1800 in 18 gesehen werden, wo aber das HF-Feld von Multipolen höherer Ordnung zu einem reineren Multipol niedrigerer Ordnung variiert über mehrere Segmente oder Sätze von Elektroden (oder Multipolionenabschnitte). Die Ionentransportvorrichtung 1900 umfasst einen ersten Ionentransportabschnitt (oder Ioneneintrittsabschnitt) 1960 und einen zweiten Ionentransportabschnitt (oder Ionenaustrittsabschnitt) 1964, der axial beabstandet ist von dem ersten Ionentransportabschnitt 1960. Optional umfasst die Ionentransportvorrichtung 1900 zusätzlich einen oder mehrere Zwischenabschnitte (nicht gezeigt), die zwischen dem ersten Ionentransportabschnitt 1960 und dem zweiten Ionentransportabschnitt 1964 axial angeordnet sind. Der erste Ionentransportabschnitt 1960 erstreckt sich longitudinal von einem ersten Ioneneintrittsende 1924 zu einem ersten Ionenaustrittsende 1925, und der zweite Ionentransportabschnitt 1964 erstreckt sich longitudinal von einem zweiten Ioneneintrittsende 1927 zu einem zweiten Ionenaustrittsende 1928. Der erste Ionentransportabschnitt 1960 umfasst eine Mehrzahl von ersten Elektroden und der zweite Ionentransportabschnitt 1964 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Elektroden, die sich länglich entlang einer Längsachse 1920 erstrecken und umfangsmäßig um die Längsachse 1920 herum beabstandet sind. Die ersten Elektroden erstrecken sich entlang der Langsachse 1920 von dem ersten Ioneneintrittsende 1924 zu dem ersten Ionenaustrittsende 1925, und die zweiten Elektroden erstrecken sich entlang der Längsachse 1920 von dem zweiten Ioneneintrittsende 1927 zu dem zweiten Ionenaustrittsende 1928. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst der erste Elektrodensatz ein gegenüberliegendes Paar von ersten Elektroden 1906 und ein gegenüberliegendes Paar von zweiten Elektroden 1907, und der zweite Elektrodensatz umfasst ein gegenüberliegendes Paar von dritten Elektroden 1910 und ein gegenüberliegendes Paar von vierten Elektroden 1911. In der Transversalebene umfassen die ersten Elektroden 1906 jeweils eine erste Querschnittsfläche, die zweiten Elektroden 1907 umfassen jeweils eine zweite Querschnittsfläche, die dritten Elektroden 1910 umfassen jeweils eine dritte Querschnittsfläche und die vierten Elektroden 1911 umfassen jeweils eine vierte Querschnittsfläche.
Bei dem in 19 gegebenen Beispiel können die jeweiligen Querschnittsflächen der Elektroden entlang der Längsachse 1920 in einem gegebenen Ionentransportabschnitt einheitlich oder im Wesentlichen einheitlich sein. Die Querschnittsflächen einiger Elektrodenpaare können sich jedoch von den Querschnittsflächen anderer Elektrodenpaare unterscheiden. Somit sind bei dem speziell dargestellten Beispiel die ersten Querschnittsflächen (erste Elektroden 1906) größer als die zweiten Querschnittsflächen (zweite Elektroden 1907), und die ersten Querschnittsflächen sind größer als die dritten Querschnittsflächen (die dritten Elektroden 1910). Die zweiten Querschnittsflächen sind kleiner als die vierten Querschnittsflächen (vierte Elektroden 1911). Die dritten Querschnittsflächen können gleich oder im Wesentlichen gleich sein wie die vierten Querschnittsflächen. Die HF-Spannungen, die an die ersten Elektroden 1906 angelegt sind, sind 180° phasenverschoben mit den HF-Spannungen, die an die zweiten Elektroden 1907 angelegt sind, und die HF-Spannungen, die an die dritten Elektroden 1910 angelegt sind, sind 180° phasenverschoben mit den HF-Spannungen, die an die vierten Elektroden 1911 angelegt sind. Durch diese Konfiguration erzeugt die Ionentransportvorrichtung 1900 ein HF-Feld, das von einem vorrangigen Multipol-HF-Feld höherer Ordnung an dem ersten Ioneneintrittsende 1924 (oder in der ersten Ionentransportregion 1960) zu einem überwiegenden Quadropol-Multipol-HF-Feld an dem zweiten Ionenaustrittsende 1928 (oder in der zweiten Ionentransportregion 1964) variiert. Wie bei anderen hierin beschriebenen Implementierungen führt das axial variierende HF-Feld zu einem konvergierendem Ionenstrahl.
Bei anderen Implementierungen können die jeweiligen Querschnittsflächen von einer oder mehreren Elektroden in dem ersten Ionentransportabschnitt 1960 und/oder dem zweiten Ionentransportabschnitt 1964 entlang der Längsachse 1920 entweder allmählich (z. B. in einer sicher verjüngenden Weise) oder stufenweise oder durch eine Kombination von sich verjüngenden und gestuften Merkmalen variieren, auf eine ähnliche Weise wie diejenige, die in 18 dargestellt ist. Obwohl die Ionentransportvorrichtung 1900 bei der oben beschriebenen Implementierung zwei Paare von gegenüberliegenden Elektroden in jedem Abschnitt 1960, 1964 umfasst, können andere Implementierungen zusätzliche Elektroden umfassen, von denen einige oder alle variierende Querschnitte aufweisen. Obwohl bei der oben beschriebenen Implementierung die Querschnitte der Elektroden geradlinig in der Form sind, können die Querschnitte bei anderen Implementierungen andere Typen von polygonalen oder prismatischen Formen haben oder können gerundet sein (z. B. kreisförmig, elliptisch, hyperbolisch, usw.).
Bei anderen Implementierungen kann eine Ionentransportvorrichtung verschiedenen Kombinationen von Merkmalen und Aspekten umfassen, die in Verbindung mit 1–19 beschrieben sind. Darüber hinaus kann die in jeder der 1–19 dargestellte Ionentransportvorrichtung einen Teil oder Abschnitt einer größeren Ionentransportvorrichtung (nicht gezeigt) darstellen, die einen oder mehrere zusätzliche Abschnitte umfasst, die vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet zu der dargestellten Ionentransportvorrichtung positioniert sind. Diese zusätzlichen Ionentransportabschnitte können auch konfiguriert sein gemäß jeder der oben beschriebenen Implementierungen, können aber alternativ gemäß herkömmlichen Entwürfen ohne konvergierende Ionnenstrahlen konfiguriert sein.
Sei den verschiedenen oben beschriebenen und in 1 bis 19 dargestellten Implementierungen ist die Ionentransportvorrichtung hauptsächlich im Zusammenhang mit einem Nur-HF-Ionenleiter erörtert, mit axialen Gleichspannungspotentialen (DC potentials), die nach Bedarf hinzugefügt werden, um kinetische Ionenenergie in der axialen Richtung zu modellieren. Es ist jedoch klar, dass die Ionentransportvorrichtung als anderen Typen von Ionenverarbeitungsvorrichtung funktionieren kann. Die Ionentransportvorrichtung kann beispielsweise als eine Kollisionszelle zum Fragmentieren von Ionen verwendet werden, wie z. B. durch Richten eines geeigneten Hintergrundgases (background gas) zu dem konvergierenden Ionenstrahl in dem Innenraum, der durch die Elektroden umschrieben ist. Als weiteres Beispiel kann die Ionentransportvorrichtung als ein Massefilter oder Sortierer verwendet werden, der nur Ionen innerhalb eines gewünschten Bereichs von Masse-Ladung-(oder m/z-)Verhältnissen weiterleitet, wie z. B. durch Überlagern einer geeigneten Gleichspannung U auf die HF-Spannung V, die das zweidimensionale HF-Feld treibt.
Eine Ionentransportvorrichtung, die gemäß jeder der hierin erörterten Implementierungen vorgesehen ist, kann einen Teil eines Ionenverarbeitungssystems bilden, das andere Ionenverarbeitungsvorrichtungen umfasst. Das Ionenverarbeitungssystem kann beispielsweise allgemein eine oder mehrere vorgeschaltete Vorrichtungen und/oder eine oder mehrere nachgeschaltete Vorrichtungen umfassen. Das Ionenverarbeitungssystem kann ein Massenspektrometrie-(MS-)System (oder Vorrichtung, Gerät, etc) sein, das konfiguriert ist, um eine gewünschte MS-Technik durchzuführen (z. B. Einstufen-MS, Tandem-MS oder MS/MS, MSⁿ, usw.). Somit kann als ein weiteres Beispiel die vorgeschaltete Vorrichtung eine Ionenquelle sein und die nachgeschaltete Vorrichtung kann ein Ionendetektor sein, und zusätzliche Vorrichtungen können aufgenommen sein, wie z. B. Ionenspeicher- oder -einfangvorrichtung, Massesortier- oder Analysierervorrichtungen, Kollisionszellen oder andere Fragmentiervorrichtungen, Ionenoptik- und andere ionenleitende Vorrichtungen, usw. Somit kann beispielsweise der Ionenleiter verwendet werden vor einem Masseanalysator (z. B. als ein Q0-Bauelement) oder selbst als ein HF/DC-Masseanalysator, oder als eine Kollisionszelle, die nach einem ersten Masseanalysator und vor einem zweiten Masseanalysator positioniert ist. Folglich kann der Ionenleiter evakuiert werden oder kann in einem Betriebszustand betrieben werden, wo Kollisionen zwischen Ionen und Gasmolekülen auftreten (z. B. als ein Q0-Bauelement in einem Hochvakuum-GC/MS, oder ein Q0-Bauelement in der Quellregion eines LC/MS, oder ein Q2-Bauelement, usw.).
Bei den verschiedenen Implementierungen die oben beschrieben sind und in 1 bis 19 dargestellt sind, waren die Elektroden der Ionentransportvorrichtung konfiguriert, um einen ionenleitenden Innenraum zu schaffen, der sich länglich erstreckt entlang einer geraden Längsachse, was dadurch zu einem geraden (wenn auch konvergierenden) Ionenstrahl führt. Es ist jedoch klar, dass die Längsachse keine gerade Achse sein muss, sondern eher eine gekrümmte Achse sein kann. Dies kann erreicht werden durch entsprechendes Konfigurieren der Elektroden. Als Ergebnis ist ein gekrümmter konvergierenden Ionenstrahl realisiert. Allgemein ist eine gekrümmter Ionenleiter einer, bei dem die Ionenachse entlang der die Ionen verlaufen, ein gekrümmter Weg ist und kein gerader Weg. Ein gekrümmter Ionenleiter ist häufig wünschenswert für Implementierungen in Ionenprozessoren, wie z. B. Massenspektrometern, da der gekrümmte Ionenleiter die Empfindlichkeit und Robustheit des Massenspektrometers verbessern kann. Ein Hauptvorteil des gekrümmten Ionenleiters in solch einem Zusammenhang ist, dass derselbe eine Sichtlinientrennung des neutralen Rauschens, Großes-Tröpfchen-Rauschens oder Photonen von den Ionen liefert, wodurch verhindert wird, dass die neutralen Komponenten die empfindlicheren Teile der Ionenoptik und des Ionendetektors erreichen. Darüber hinaus ermöglicht der gekrümmte Ionenleiter das Falten oder Drehen der Ionenwege und ermöglicht geringere Standflächen in den entsprechenden Instrumenten.
Als ein Beispiel kann eine gekrümmte Ionentransportvorrichtung eine glatte 90° Drehung auf den Ionenweg übertragen. Ein oder mehrere zusätzliche gekrümmte Ionentransportabschnitte können hinzugefügt werden, um den Ionenweg weiter zu modifizieren. Diese zusätzlichen Ionentransportabschnitte können auch konfiguriert sein als kreisförmige Sektoren aber alternativ können dieselben linearen Wegen oder anderen Arten von nicht kreisförmigen Wegen folgen. Somit können ein oder mehrere Ionentransportabschnitte verwendet werden, um jeden gewünschten Weg für einen Ionenstrahl bereitzustellen, der dadurch fokussiert wird. Somit kann bei einem anderen nicht dargestellten Beispiel die Ionentransportvorrichtung geformt sein, um eine 180°-Drehung in dem fokussierten Ionenweg bereitzustellen, d. h. ein U-förmiger Ionenweg, mit der Verwendung von einem oder mehreren geeignet geformten Ionentransportabschnitten. Bei einem weiteren Beispiel können die ”Schenkel” des U-förmigen Wegs erweitert werden durch Bereitstellen linearer Ionenleitungsabschnitte benachbart zu dem Ioneneinlass und dem Ionenauslass des U-förmigen Ionenleiters. Bei einem anderen Beispiel können zwei 90-Grad Ionentransportabschnitte benachbart zueinander positioniert sein, um den 180°-Drehung in den Ionenweg zu realisieren. Bei einem weiteren Beispiel können zwei ähnlich geformte Ionentransportabschnitte benachbart zueinander positioniert sein, so dass der Krümmungsradius eines Abschnitts entgegengesetzt zu demjenigen eines anderen Ionenabschnitts gerichtet ist, wodurch ein S-förmiger Ionenweg bereitgestellt wird. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass verschiedene anderen Konfigurationen von den vorliegenden Lehren abgeleitet werden können.
Es ist klar, dass die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen in jedem Ionenverarbeitungssystem implementiert werden können, wie z. B. einem MS-System, wie es allgemein oben beispielhaft beschrieben ist. Der vorliegende Gegenstand ist jedoch nicht auf die spezifischen hierin dargestellten Ionenverarbeitungssysteme oder auf die spezifische Anordnung von hierin dargestellter Schaltungsanordnung und Komponenten begrenzt. Darüber hinaus ist der vorliegende Gegenstand nicht auf MSbasierte Anwendungen begrenzt, wie es bereits angemerkt wurde.
Allgemein werden Begriffe wie z. B. ”kommunizieren” und ”in Kommunikation mit” (beispielsweise ”kommuniziert” eine erste Komponente mit einer zweiten Komponente oder ”ist in Kommunikation mit” derselben) hierin verwendet, um eine strukturelle, funktionale, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehr Komponenten oder Elementen zu bezeichnen. Daher soll die Tatsache, dass eine Komponente mit einer zweiten Komponente kommuniziert, nicht die Möglichkeit ausschließen, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und zweiten Komponente vorliegen können und/oder wirksam denselben zugeordnet sind oder in Eingriff mit denselben sind.
Es ist klar, dass verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der Erfindung geändert werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner dient die vorliegende Beschreibung nur Darstellungszwecken und nicht Begrenzungszwecken – die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Guo-Zhong Li und Joseph A. Jarrell, Proc. 46th ASMS Conference an Mass Spectrometry and Allied Topics, Orlando, Florida, 1998, S. 491 [0054]

Claims

Eine Ionentransportvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Ioneneintrittsende; ein Ionenaustrittsende, das an einem Abstand von dem Ioneneintrittsende entlang einer Längsachse angeordnet ist; einen Ioneneintrittsabschnitt, der sich entlang der Längsachse von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende hin erstreckt; einen Ionenaustrittsabschnitt, der sich entlang der Längsachse von dem Ionenaustrittsende zu dem Ioneneintrittsende hin erstreckt; und eine Mehrzahl von Elektroden, die entlang der Längsachse angeordnet sind, wobei zumindest Teile der Elektroden an einem radialen Abstand in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsachse angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Elektroden eine Mehrzahl von ersten Elektroden umfasst, die einen Innenraum in dem Ioneneintrittsabschnitt umschreiben, und eine Mehrzahl von zweiten Elektroden, die einen Innenraum in dem Ionenaustrittsabschnitt umschreiben, wobei die Mehrzahl von Elektroden konfiguriert ist zum Anlegen eines elektrischen HF-Feldes, das entlang der Längsachse variiert, so dass das elektrische HF-Feld an dem Ioneneintrittsende ein erstes elektrisches HF-Feld aufweist, das eine vorrangige erste Multipolkomponente von zwei n₁ Polen aufweist, wobei n₁ ≥ 3/2, und das elektrische HF-Feld an dem Ionenaustrittsende ein zweites elektrisches HF-Feld aufweist, das überwiegend eine zweite Multipolkomponente von 2n₂ Polen aufweist, wobei n₂ ≥ 3/2, und n₂ < n₁.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die ersten Elektroden sich länglich entlang der Längsachse erstrecken und umfangsmäßig um die Längsachse herum beabstandet sind, und die zweiten Elektroden sich länglich entlang der Längsachse erstrecken und umfangsmäßig um die Längsachse herum beabstandet sind.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der eine Anzahl von ersten Elektroden gleich einer Anzahl von zweiten Elektroden ist; die Mehrzahl von ersten Elektroden unterteilt ist in Gruppen von m₁ ersten Elektroden, wobei jede Gruppe von m₁ ersten Elektroden benachbart ist zu zwei anderen Gruppen von m₁ ersten Elektroden, wobei die Anzahl m₁ von ersten Elektroden in jeder Gruppe m₁ ≥ 1 ist; die Mehrzahl von zweiten Elektroden unterteilt ist in Gruppen von m₂ zweiten Elektroden, wobei jede Gruppe von m₂ zweiten Elektroden benachbart ist zu zwei anderen Gruppen von m₂ zweiten Elektroden, und m₂ ≥ m₁; und die ferner Schaltungsanordnung aufweist, die konfiguriert ist zum Anlegen einer ersten HF-Spannung an die ersten Elektroden, um das erste elektrische HF-Feld zu erzeugen, und einer zweiten HF-Spannung an die zweiten Elektroden, um das zweite elektrische HF-Feld zu erzeugen, wobei die erste HF-Spannung, die an jede Gruppe von ersten Elektroden angelegt ist, 180° phasenverschoben ist mit der ersten HF-Spannung, die an die benachbarten Gruppen von ersten Elektroden angelegt ist, und die zweite HF-Spannung, die an jede Gruppe von zweiten Elektroden angelegt ist, 180° phasenverschoben ist mit der zweiten HF-Spannung, die an die benachbarten Gruppen von zweiten Elektroden angelegt ist.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Anzahl von ersten Elektroden größer ist als die Anzahl von zweiten Elektroden.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die ersten Elektroden um einen ersten axialen Abstand relativ zu der Längsachse voneinander beabstandet sind, und die zweiten Elektroden um einen zweiten axialen Abstand relativ zu der Längsachse voneinander beabstandet sind, der größer ist als der erste axiale Abstand.
Die Ionentransportvorrichtung, bei der die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden spiralförmig um die Langsachse herum gewickelt sind, wobei der erste Axialabstand eine erste Spiralsteigung der ersten Elektroden ist, und der zweite Axialabstand eine zweite Spiralsteigung der zweiten Elektroden ist.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die ersten Elektroden zwei oder mehr erste Ringe aufweisen, die in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsachse ausgerichtet sind, wobei der erste axiale Abstand eine erste axiale Beabstandung zwischen benachbarten ersten Ringen ist, die zweiten Elektroden zwei oder mehr zweite Ringe aufweisen, die in der Transversalebene ausgerichtet sind, und der zweite axiale Abstand eine zweite axiale Beabstandung zwischen benachbarten zweiten Ringen ist.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die ersten Elektroden sich länglich entlang der Längsachse erstrecken und ein erstes Paar von Elektroden aufweisen, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse, und ein zweites Paar von Elektroden, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Langsachse; die zweiten Elektroden sich länglich entlang der Längsachse erstrecken und ein drittes Paar von Elektroden aufweisen, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse, und ein viertes Paar von Elektroden, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse, wobei jede Elektrode des ersten Paars eine erste Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist, jede Elektrode des zweiten Paars eine zweite Querschnittsfläche in der Transversaleberie aufweist, jede Elektrode des dritten Paars eine dritte Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist, und jede Elektrode des vierten Paars eine vierte Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist; an dem Ioneneintrittsende die erste Querschnittsfläche größer ist als die zweite Querschnittsfläche; an dem Ionenaustrittsende die dritte Querschnittsfläche gleich der vierten Querschnittsfläche ist; die erste Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende größer ist als die dritte Querschnittsfläche an dem Ionenaustrittsende; und die zweite Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende geringer ist als die vierte Querschnittsfläche an dem Ionenaustrittsende.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die erste Querschnittsfläche entlang der Längsachse einheitlich ist, die zweite Querschnittsfläche entlang der Längsachse einheitlich ist, die dritte Querschnittsfläche entlang der Längsachse einheitlich ist und die vierte Querschnittsfläche entlang der Längsachse einheitlich ist.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der zumindest entweder die erste Querschnittsfläche, die zweite Querschnittsfläche, die dritte Querschnittsfläche oder die vierte Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende anders ist als an dem Ionenaustrittsende.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Zwischenionentransportabschnitt aufweist, der zwischen dem Ioneneintrittsabschnitt und dem Ionenaustrittsabschnitt angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Elektroden ferner eine Mehrzahl von dritten Elektroden aufweist, die einen Innenraum in dem Zwischenionentransportabschnitt umschreiben, und die Mehrzahl von dritten Elektroden konfiguriert ist zum Anlegen eines dritten elektrischen HF-Feldes, das eine vorrangige dritte Multipolkomponente von 2n₃ Polen aufweist, wobei n₃ ≥ 3/2 und n₁ > n₃ > n₂.
Eine Ionentransportvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Ioneneintrittsende; ein Ionenaustrittsende, das an einem Abstand von dem Ioneneintrittsende entlang einer Langsachse angeordnet ist; und eine Mehrzahl von Elektroden, die entlang der Längsachse von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende hin angeordnet sind und einen Innenraum der Ionentransportvorrichtung umschreiben, wobei zumindest einige der Elektroden eine Querschnittsfläche in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsebene aufweisen, wobei die Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende anders ist als an einem gegenüberliegenden axialen Ende der zumindest einigen Elektroden; die Mehrzahl von Elektroden konfiguriert ist zum Anlegen eines elektrischen HF-Feldes, das entlang der Längsachse variiert, so dass das elektrische HF-Feld an dem Ioneneintrittsende eine vorrangige erste Multipolkomponente von 2n₁ Polen aufweist, wobei n₁ ≥ 3/2, und das elektrische HF-Feld an dem Ionenaustrittsende überwiegend eine zweite Multipolkomponente von 2n₂ Polen aufweist, wobei n₂ ≥ 3/2 und n₂ < n₁.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Mehrzahl von Elektroden ein erstes Paar von Elektroden aufweist, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse, und ein zweites Paar von Elektroden, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse; jede Elektrode des ersten Paars und des zweiten Paars sich von dem Ioneneintrittsende zu dem Ionenaustrittsende erstreckt und eine erste Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist, wobei die erste Querschnittsfläche über eine gesamte Länge der Elektrode einheitlich ist; und die zumindest einigen Elektroden eine Mehrzahl von zweiten Elektroden aufweisen, wobei jede zweite Elektrode eine zweite Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist, wobei jede zweite Querschnittsfläche gleich der ersten Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende ist und an einem gegenüberliegenden axialen Ende der zweiten Elektrode verringert ist.
Die Ionentransportvorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der die Mehrzahl von Elektroden ein erstes Paar von Elektroden aufweist, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse, und ein zweites Paar von Elektroden, die gegenüberliegend voneinander beabstandet sind relativ zu der Längsachse; jede Elektrode des ersten Paars eine erste Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist, und die erste Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende größer ist als an dem Ionenaustrittsende; jede Elektrode des zweiten Paars eine zweite Querschnittsfläche in der Transversalebene aufweist, und die zweite Querschnittsfläche an dem Ioneneintrittsende geringer ist als an dem Ionenaustrittsende; an dem Ioneneintrittsende die zweite Querschnittsfläche geringer ist als die erste Querschnittsfläche; und an dem Ionenaustrittsende die zweite Querschnittsfläche gleich der ersten Querschnittsfläche ist.
Ein Verfahren zum Transportieren von Ionen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Zulassen der Tone in einen Innenraum einer Ionentransportvorrichtung an einem axialen Ioneneintrittsende desselben, wobei die Ionentransportvorrichtung eine Mehrzahl von Elektroden aufweist, die entlang einer Längsachse von dem axialen Ioneneintrittsende zu einem axialen Ionenaustrittsende hin angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Elektroden den Innenraum in einer Transversalebene orthogonal zu der Längsachse umgibt; und Beschränken radialer Bewegungen der Ionen in der Transversalebene auf einen konvergierenden Ionenstrahl, der sich entlang der Längsachse von einem großen Ionenstrangquerschnitt an dem Ioneneintrittsende zu einem kleinen Ionenstrahlquerschnitt an dem Ionenaustrittsende erstreckt, durch Anlegen eines elektrischen HF-Feldes, das entlang der Längsachse variiert, so dass an dem Ioneneintrittsende das elektrische HF-Feld eine vorrangige erste Multipolkomponente von 2n₁ Polen aufweist, wo n₁ ≥ 3/2, und an dem Ionenaustrittsende das elektrische HF-Feld überwiegend eine zweite Multipolkomponente von 2n₂ Polen aufweist, wo n₂ ≥ 3/2 und n₂ < n₁.