CH720458B1 - Elektrodenanordnung, Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung und ionenoptisches Instrument. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung (1), die ein gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz und einen Satz von mindestens vier separaten Elektroden (15, 16) aufweist. Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz erstreckt sich in einer longitudinalen Richtung entlang einer longitudinalen Achse (X) und hat einen Gehäusekanal, der sich in der longitudinalen Richtung zwischen einer Eingangsöffnung und einer Ausgangsöffnung erstreckt, wobei der Gehäusekanal eine umlaufende Kanalkontur hat, die mindestens vier Elektrodenbefestigungsstrukturen definiert, wobei jede Elektrodenbefestigungsstruktur mit einer der Elektroden (15, 16) verbunden ist. Die Elektroden (15, 16) sind jeweils an dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz befestigt, wobei die Elektroden jeweils eine Gehäusebefestigungsstruktur (151) aufweisen, wobei die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode (15, 16) die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur direkt kontaktiert und die Elektroden (15, 16) parallel zur longitudinalen Achse (X) verlaufen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung sowie ein ionenoptisches Instrument.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung wie sie in ionenoptischen Instrumenten, wie z. B. Massenspektrometern, verwendet werden, ein ionenoptisches Instrument und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Elektrodenanordnungen werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, z. B. in Massenspektrometern und allgemein in ionenoptischen Instrumenten, beispielsweise als Ionenleiter, Kollisionszellen oder Massenfilter.

[0003] Solche Elektrodenanordnungen umfassen in der Regel eine Reihe von typischerweise langestreckten bzw. stabförmigen Elektroden und eine Positionierung- und Ausrichtungsstruktur für die Elektroden. Die ionenoptische Leistungsfähigkeit einer solchen Vorrichtung korreliert mit der genauen relativen Positionierung und Ausrichtung der Elektroden. Daher wird eine mechanische Präzision und Stabilität der Geräte über den gesamten Bereich der Betriebsbedingungen angestrebt. Hier ist die Frage der thermischen Ausdehnung von besonderer Bedeutung. Temperaturschwankungen während des Betriebs, der Lagerung und des Transports müssen ebenso berücksichtigt werden wie die Anwendung von Hochspannungs- und Hochfrequenzsignalen (auch als Radiofrequenz (RF) bezeichnet) an den Elektroden, die zu erheblichen Verlusten und damit zur Erwärmung führen können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

[0004] Für die Herstellung von Elektrodenanordnungen, wie sie in ionenoptischen Instrumenten verwendet werden, sind z. B. plattenförmige Keramikträger bekannt, auf denen die Elektroden befestigt werden. Die Keramikträger positionieren und richten die Elektroden zueinander aus. Sie haben einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen geringen Verlusttangensfaktor, was zu einer geringen Erwärmung durch die RF-Felder führt. Keramik ist jedoch im Allgemeinen teuer in der Herstellung, empfindlich gegenüber Spannungen und neigt bei unsachgemässer Handhabung zur Verunreinigung von Vakuumsystemen.

[0005] Ferner ist es bekannt, die Elektroden durch Kleben in ein Gehäuse aus nichtleitendem Material einzubauen. In diesem Fall sind spezielle hochpräzise Montagewerkzeuge erforderlich, um die Positionierung und Ausrichtung der Elektroden zu gewährleisten. Da die Elektroden einen viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Keramik haben können, kann die Kombination der beiden Materialien in einer geklebten Anordnung zu unerwünschten Spannungen in den Materialien führen.

[0006] US6825474B2 offenbart eine Anordnung mit einem keramischen Substrat, mit einem Hohlraum darin, wobei der Hohlraum im Wesentlichen eine erste zylindrische Bohrung ist, und mit einer leitfähigen Beschichtung auf mindestens zwei separaten Bereichen auf gegenüberliegenden Oberflächen der ersten zylindrischen Bohrung. Die mindestens zwei getrennten Bereiche der leitenden Beschichtung sind durch eine zweite Bohrung mit einer Achse parallel zur ersten zylindrischen Bohrung getrennt. In einer solchen Anordnung werden die Elektroden durch die leitfähige Beschichtung gebildet.

[0007] Ein übergeordnetes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik in Bezug auf Elektrodenanordnungen zu verbessern, die in ionenoptischen Instrumenten, wie z. B. Massenspektrometern, verwendet werden. Vorteilhafterweise können stabförmige und typischerweise spanabhebend gefertigte Elektroden, wie sie in der Technik allgemein bekannt sind, verwendet werden. Vorteilhaft werden einer oder mehrere der genannten Nachteile des Standes der Technik ganz oder teilweise überwunden.

[0008] In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung umfasst ein gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz und einen Satz von mindestens vier separaten Elektroden. Die Elektrodenanordnung kann in einem ionenoptischen Instrument, wie z. B. einem Massenspektrometer, verwendet werden.

[0009] Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz erstreckt sich in einer longitudinalen Richtung entlang einer longitudinalen Achse und hat einen Gehäusekanal, der sich in der longitudinalen Richtung zwischen einer Eingangsöffnung und einer Ausgangsöffnung erstreckt. Der Gehäusekanal weist eine umlaufende Kanalkontur auf, die mindestens vier Elektrodenbefestigungsstrukturen definiert. Die Elektrodenbefestigungsstrukturen sind im Wesentlichen durch die umlaufende Kanalkontur des Gehäusekanals definiert. Die Elektrodenbefestigungsstrukturen sind im Allgemeinen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Jede Elektrodenbefestigungsstruktur ist einer der Elektroden zugeordnet. Eine Seite der Elektrodenanordnung, an der die Eingangsöffnung angeordnet ist, wird als „Eingangsseite“ bezeichnet, und die gegenüberliegende Seite, an der die Ausgangsöffnung angeordnet ist, wird als „Ausgangsseite“ bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke „Eingang“ und „Ausgang“ die Bewegung von lonen im Gehäusekanal im regulären Betrieb bezeichnen.

[0010] Die Elektroden sind jeweils an dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz befestigt. Die Elektroden weisen jeweils eine Gehäusebefestigungsstruktur auf. Die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode berührt direkt die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur, und die Elektroden erstrecken sich parallel zur longitudinalen Achse.

[0011] Eine Elektrodenanordnung gemäss der vorliegenden Offenbarung ist besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Massenspektrometern und allgemein ionenoptischen Geräten, wie im Folgenden erläutert.

[0012] Durch das Zusammenwirken zwischen der Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode und der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz werden die Elektroden in Bezug aufeinander und in Bezug auf das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz positioniert und ausgerichtet.

[0013] Ein gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz kann mit hoher Präzision hergestellt werden, und die Elektroden können im Inneren des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz positioniert und ausgerichtet werden, indem jede Elektrode einfach an dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz befestigt wird. Die korrekte Position und Ausrichtung der Elektroden wird durch das Zusammenwirken der Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode mit der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz gewährleistet. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind keine weiteren speziellen Ausrichtungsstrukturen oder hochpräzise Montagewerkzeuge erforderlich. Des Weiteren ist synthetischer Quarz für das Gehäuse besonders geeignet, da er günstige Materialeigenschaften, insbesondere im Hochspannungs- und Hochfrequenzbereich (RF), aufweist. Insbesondere beeinflusst synthetischer Quarz das elektromagnetische Feld nicht und ermöglicht einen schnellen Wechsel der den Elektroden zugeführten RF-Signale. In einer Anordnung gemäss der vorliegenden Offenbarung sind keine weiteren Komponenten und Materialien vorhanden, die das elektromagnetische Feld verzerren oder die allgemein die Leistungsfähigkeit verringern würden. Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz kann insbesondere in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wie weiter unten beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass ein gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz mit einer Präzision hergestellt werden kann, die für die direkte Montage der Elektroden geeignet ist, ohne dass zusätzliche Halterungen erforderlich sind.

[0014] Der Ausdruck „radial“ bezieht sich auf eine Richtung, die quer zur longitudinalen Achse verläuft. Der Ausdruck „axial“ bezieht sich auf eine Richtung, die der Längsrichtung entspricht bzw. mit ihr ausgerichtet ist.

[0015] Die Elektrodenanordnung ist für den Einsatz in Anwendungen und zur Verwendung mit Signalen konzipiert, die typischerweise im Bereich der ionenoptischen Geräte vorkommen. Die RF-Signale, die einigen oder allen Elektroden zugeführt werden, können, wie weiter unten beschrieben, eine Frequenz von bis zu 10 MHz haben und sind im Allgemeinen in ihrer Amplitude und/oder Frequenz variabel. Die Spannungen der an die Elektroden gelieferten Signale können in einem Bereich von bis zu z.B. 20 kV liegen. Die Leistung beträgt typischerweise bis zu 1 kW.

[0016] Die longitudinale Achse ist in der Regel auch eine Symmetrieachse des Gehäusekanals, bzw. der Gehäusekanal ist axialsymmetrisch. Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz umgibt den Gehäusekanal im Wesentlichen rohrförmig.

[0017] Der Gehäusekanal ist im Allgemeinen zwischen der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung durchgehend, wobei die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung an gegenüberliegenden Enden des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz entlang der longitudinalen Achse angeordnet sind. Die Länge des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz bzw. der Abstand zwischen Eingangsöffnung und AusgangsÖffnung entlang der longitudinalen Achse kann in einer typischen Ausführung zwischen 100 mm und 150 mm liegen. Andere Abmessungen sind je nach Anwendung möglich. Aufgrund der hohen Fertigungspräzision und der geringen Toleranzen des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz lassen sich vergleichsweise lange Geräte mit der im Bereich der Hochleistungsionenoptik allgemein geforderten Präzision realisieren.

[0018] In einer Ausführungsform ist das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz aus einem einzigen Stück Material geformt. In einer anderen Ausführungsform, auf die weiter unten näher eingegangen wird, weist das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz jedoch ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil auf, die strukturell voneinander unterschiedlich sind und in Bezug auf die longitudinale Achse voneinander beabstandet angeordnet sein können.

[0019] Die Elektroden sind typischerweise stabförmig, wie in der Technik allgemein bekannt. Der Teil einer Elektrode, der im Betrieb mit den Ionen innerhalb der Elektrodenanordnung aufgrund des elektrischen und elektromagnetischen Feldes zwischen den Elektroden interagiert, wird auch als loneninteraktionsbereich bezeichnet. Zusätzlich zum loneninteraktionsbereich hat eine Elektrode im Allgemeinen einen Basisteil, der die Gehäusebefestigungsstruktur ist oder enthält.

[0020] Die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode berührt das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz direkt an der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur und liegt dort an. Zwischen den Elektroden und dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz sind keine weiteren Zwischenelemente, wie z. B. Klebeschichten, radial angeordnet. Daher tragen nur das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz und die Elektroden zur Toleranzkette bei. Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz ist in einer Ausführung nicht spanabhebend gefertigt. Dies kann insbesondere bei den Elektrodenbefestigungsstrukturen bzw. bei Oberflächen, die die Positionierung und Ausrichtung der Elektroden beeinflussen, der Fall sein. Die entsprechenden Abmessungen und Toleranzen ergeben sich direkt beim Giessprozess. Bei Bedarf können jedoch die Toleranzen ausgewählter Gehäusemerkmale nach dem Giessen durch Bearbeitungsmethoden nach dem Stand der Technik verbessert werden.

[0021] In einer Ausgestaltung ragen einige oder alle Elektroden an der Seite der Eingangsöffnung und/oder der Ausgangsöffnung aus dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz heraus. Eines oder beide Enden können jedoch auch innerhalb des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz angeordnet sein oder bündig mit der Eingangsöffnung bzw. Ausgangsöffnung abschliessen.

[0022] In einer Ausgestaltung sind alle Elektroden identisch ausgeführt und haben eine identische Querschnittskontur. In einer anderen Ausgestaltung umfasst der Satz von Elektroden jedoch verschiedene Arten von Elektroden, z. B. zwei verschiedene Arten von Elektroden, nämlich DC-Elektroden und RF-Elektroden, wie weiter unten erläutert.

[0023] Im montierten Zustand wird der grösste Teil des Innenraums des Gehäusekanals in der Regel von den Elektroden eingenommen. Ein axial durchgehender zentraler Kanalteil um die longitudinale Achse bleibt in jedem Fall frei für den Transfer von Ionen.

[0024] In einer Ausgestaltung erstrecken sich die Elektrodenbefestigungsstrukturen und die Gehäusebefestigungsstrukturen jeweils parallel zueinander entlang der longitudinalen Achse in einer zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Weise. In einer Ausgestaltung berührt die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur über im Wesentlichen die gesamte Länge der Elektrodenbefestigungsstruktur entlang der longitudinalen Achse direkt, insbesondere mit einem flächigen bzw. zweidimensionalen Kontakt.

[0025] In einer Ausgestaltung sind die Elektroden jeweils lösbar an dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz befestigt. Für die lösbare Befestigung können Befestigungselemente, insbesondere Montageschrauben, vorgesehen werden. Zu diesem Zweck können im Basisteil bzw. im Befestigungsteil jeder Elektrode Schraublöcher mit Gewinde vorgesehen werden. Von der Aussenfläche des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz können entsprechende Bohrungen oder Durchgänge ausgehen, die in die Elektrodenbefestigungsstrukturen münden. Zusätzliche Unterlegscheiben und/oder Federelemente, insbesondere Federscheiben, können zusätzlich vorgesehen werden. In einer besonderen Ausgestaltung dienen die zur Befestigung der Elektroden verwendeten Schrauben gleichzeitig als elektrische Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung der Elektroden und als leitende Durchführungen durch den elektrisch isolierenden synthetischen Quarz.

[0026] In einer weiteren Ausgestaltung werden die Elektroden über elastische Vorspannelemente, wie z. B. Federklammern, befestigt, die jeweils eine drückende Vorspannkraft auf jede der Elektroden in Richtung der entsprechenden Elektrodenhalterung ausüben.

[0027] In einer Ausführungsform hat das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz einen Verlusttangensfaktor von weniger als 0,1%, vorzugsweise weniger als 0,02%, insbesondere unterhalb von 10 MHz. Vorzugsweise ist ein solcher Verlusttangensfaktor für jede Frequenz unter bzw. bis zu 10 MHZ gegeben. Ein niedriger Verlusttangensfaktor ist sehr wünschenswert, da der Verlusttangensfaktor direkten Einfluss auf die Selbsterwärmung durch dielektrische Verluste und damit auf die Positionierung und Ausrichtung der Elektroden hat. Ausserdem müssen hohe dielektrische Verluste durch einen unerwünschten höheren Energieeintrag in das System durch die RF-Ansteuerungselektronik für gegebene RF-Potentiale an den Elektroden kompensiert werden und wirken sich negativ auf die Geschwindigkeit aus, mit der die RF-Signale geändert werden können.

[0028] In einer Ausführungsform besteht das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz der zu mindestens 99 Gew.-% aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht.

[0029] In einer Ausführungsform hat das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 8e-7/°C. Ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient ist sehr wünschenswert, da jede Massänderung aufgrund von thermischer Ausdehnung die Positionierung und Ausrichtung der Elektroden direkt beeinflusst.

[0030] In einer Ausführungsform umschliesst das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz den Gehäusekanal in einer zumindest im Wesentlichen geschlossenen Weise. In Ausführungsformen mit einem ersten Gehäuseteil und einem strukturell getrennten zweiten Gehäuseteil, wie weiter unten erläutert, kann das erste Gehäuseteil den ersten Gehäusekanalabschnitt zumindest im Wesentlichen geschlossen umschliessen, und das zweite Gehäuseteil kann den zweiten Gehäusekanalabschnitt zumindest im Wesentlichen geschlossen umschliessen.

[0031] In einer Ausgestaltung sind für jede Elektrode die Gehäusebefestigungsstruktur und die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur komplementär zueinander geformt. In einer Querschnittsansicht kann die Kontur jeder Elektrodenbefestigungsstruktur und der entsprechenden Gehäusebefestigungsstruktur jeweils komplementär sein.

[0032] In einer Ausgestaltung stellen die Querschnittskonturen der Elektrodenbefestigungsstruktur und der entsprechenden Gehäusebefestigungsstrukturen einen Formschluss bzw. eine formschlüssige Verbindung her. Ein solcher Formschluss blockiert vorteilhafter Weise nicht eine Elektrodenbewegung relativ zum gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz nicht in axialer Richtung und in der Regel auch nicht in radialer Richtung in einer Querschnittsansicht, sondern in einer Richtung quer zur axialen und radialen Richtung.

[0033] In einer Ausgestaltung ist eine Querschnittskontur der Elektrodenbefestigungsstrukturen und der entsprechenden Gehäusebefestigungsstrukturen jeweils polygonal oder im Wesentlichen polygonal. Die Querschnittskonturen können zum Beispiel rechteckig sein. Es sind aber auch andere Querschnittskonturen möglich, wie weiter unten erläutert wird.

[0034] In einer Ausgestaltung weisen die Elektrodenbefestigungsstrukturen und die Gehäusebefestigungsstrukturen jeweils eine Anzahl von planaren Oberflächenelementen auf, insbesondere zwei oder drei planare Oberflächenelemente. Die planaren Oberflächenelemente erstrecken sich im Allgemeinen parallel zur longitudinalen Achse. In einer Ausgestaltung berührt zumindest bei einigen Elektroden jedes planare Oberflächenelement einer Gehäusebefestigungsstruktur ein entsprechendes planares Oberflächenelement der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur, insbesondere flächig bzw. zweidimensional.

[0035] In einer Ausgestaltung bilden die planaren Oberflächenelemente der Gehäusebefestigungsstruktur zumindest bei einigen Elektroden in einer Querschnittsansicht zusammen ein Polygon. In ähnlicher Weise bilden die planaren Oberflächenelemente der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur in einer Querschnittsansicht ein Polygon. Die Polygone können komplementär zueinander sein. Ein solches Design impliziert, dass jedes planare Oberflächenelement an ein weiteres planares Oberflächenelement angrenzt. In beispielhaften Ausgestaltungen kann eine Elektrodenbefestigungsstruktur z. B. die Form einer Nut haben, die sich entlang der longitudinalen Achse erstreckt. Die Nut kann z. B. einen U-förmigen Querschnitt mit einer ebenen bzw. planaren Grundfläche und daran anschliessenden und quer verlaufenden Schenkeln aufweisen. In diesem Fall beträgt die Anzahl der planaren Oberflächenelemente drei für die Gehäusemontagestruktur und die entsprechende Elektrodenmontagestruktur. In einer anderen Ausgestaltungen ist der Querschnitt V-förmig. Hier beträgt die Anzahl der planaren Oberflächenelemente für die Gehäusebefestigungsstruktur und die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur zwei.

[0036] In einer anderen Ausgestaltungen bilden die planaren Oberflächenelemente einer Gehäusebefestigungsstruktur in Kombination im Querschnitt kein Polygon, bzw. die planaren Oberflächenelemente grenzen nicht jeweils an ein weiteres planares Oberflächenelement an. Gleiches kann für die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur gelten. In einer besonderen Ausgestaltung weisen eine Gehäusebefestigungsstruktur und die entsprechende Elektrodenbefestigung jeweils zwei zueinander orthogonale bzw. quer verlaufende planare Oberflächenelemente auf, die durch eine abgeschrägte Oberfläche getrennt sind, die zwischen den beiden die Gehäusebefestigungsstruktur bzw. Elektrodenbefestigungsstruktur bildenden Oberflächenelementen angeordnet ist und an diese angrenzt. Im montierten Zustand berührt jedes planare Oberflächenelement der Gehäusebefestigungsstruktur ein entsprechendes planares Oberflächenelement der Elektrodenbefestigungsstruktur, während zwischen den abgeschrägten Oberflächen ein Spalt verbleibt. Die abgeschrägten Oberflächen können parallel zueinander sein.

[0037] In einer Ausgestaltung erstrecken sich die Elektrodenbefestigungsstrukturen jeweils zwischen der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung in durchgehender Weise. In dieser Ausgestaltung können die Elektroden durch axiales Einführen in den Gehäusekanal entweder von der Eingangsöffnung oder von der Ausgangsöffnung aus positioniert werden.

[0038] In einer Ausgestaltung erstrecken sich die Elektrodenbefestigungsstrukturen jeweils von der Eingangsöffnung oder der Ausgangsöffnung bis zu einem Ende der Elektrodenbefestigungsstruktur innerhalb des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz. Eine solche Ausführung kann insbesondere dann verwendet werden, wenn einer der axialen Endabschnitte des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz verjüngt bzw. kegelstumpfförmig ist.

[0039] In einer Ausgestaltung weist der Gehäusekanal eine im Wesentlichen quadratische Querschnittskontur auf. Der Ausdruck „im Wesentlichen quadratisch“ bezieht sich insbesondere auf die Querschnittskontur ohne Berücksichtigung von Abschrägungen und/oder Vertiefungen, z. B. Nuten, die durch Elektrodenbefestigungsstrukturen gebildet werden können.

[0040] In einer Ausgestaltung umfasst der Satz von Elektroden eine gerade Anzahl von DC-Elektroden. Die DC-Elektroden können so konfiguriert sein, dass sie die lonenbewegung entlang der longitudinalen Achse zwischen der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung steuern, wenn sie an ein DC-Potential angeschlossen sind. Die DC-Elektroden können jeweils eine DC-Elektrodenbasis und einen DC-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich aufweisen. Eine DC-Elektroden-Befestigungsstruktur als Gehäusebefestigungsstruktur jeder DC-Elektrode kann durch die DC-Elektrodenbasis gebildet werden. Der DC-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich kann von der DC-Elektrodenbasis in Richtung der longitudinalen Achse abragen, typischerweise radial abragen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann der DC-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich der DC-Elektroden z.B. jeweils als Steg bzw. stegförmig ausgebildet sein. In einer Ausgestaltung sind alle DC-Elektroden identisch ausgebildet, was jedoch nicht zwingend ist. Die DC-Elektroden können z.B. untereinander verdrahtet bzw. leitend verbunden sein und dementsprechend im Einsatz auf einem gemeinsamen elektrischen Potential liegen.

[0041] Bei einer Konstruktion mit den erwähnten stegförmigen DC-Elektroden-Ioneninteraktionsbereichen kann die Höhe der Stege als der Abstand, um den jeder Steg radial über ihre Elektrodenbasis in Richtung der longitudinalen Achse hinausragt, bei einigen Konstruktionen entlang der longitudinalen Achse nicht konstant sein, sondern von der Eingangsseite zur Ausgangsseite hin zunehmen oder abnehmen, um je nach den angelegten Gleichspannungspotentialen die Ionen abzustossen oder anzuziehen. Im Betrieb können die Gleichspannungspotentiale an den DC-Elektroden für alle DC-Elektroden identisch sein, wobei sich der Freiraum im Kanalgehäuse im Querschnitt von der Eingangsseite zur Ausgangsseite hin verändert. Die beschriebene Gestaltung der Stege zielt darauf ab, ein Feldpotential zu erzeugen, das sich von der Eingangsseite zur Ausgangsseite hin verändert, was wiederum eine Beschleunigung oder Abbremsung der Ionen im Gehäusekanal von der Eingangsseite zur Ausgangsseite hin bewirkt.

[0042] In einer Ausgestaltung sind vier DC-Elektroden rotationssymmetrisch zur longitudinalen Achse angeordnet, wobei jeweils zwei DC-Elektroden einander gegenüberliegend, insbesondere diametral gegenüberliegend, angeordnet sind. In einer Querschnittsansicht bilden die Symmetrieachsen der Elektroden, insbesondere der Rippen, bei dieser Ausgestaltung eine Kreuzform. In einer Ausgestaltung sind genau vier DC-Elektroden vorhanden.

[0043] In einer Ausgestaltung werden die DC-Elektroden-Befestigungsstrukturen für die DC-Elektroden jeweils durch eine Nut mit im Wesentlichen quadratischem Querschnitt in dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz gebildet.

[0044] In einer Ausgestaltung umfasst der Satz von Elektroden eine gerade Anzahl von RF-Elektroden. Im Betrieb steuern die RF-Elektroden die radiale Bewegung der Ionen bzw. die Bewegung der Ionen quer zur longitudinalen Achse. Die RF-Elektroden können jeweils eine RF-Elektrodenbasis und einen RF-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich aufweisen. Eine RF-Elektroden-Befestigungsstruktur als Gehäusebefestigungsstruktur jeder RF-Elektrode kann durch die jeweilige RF-Elektrodenbasis gebildet werden. Der RF-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich kann von der RF-Elektrodenbasis in Richtung der longitudinalen Achse abragen, typischerweise radial abragen. Bei jeder RF-Elektrode ist die Querschnittskontur des RF-Elektroden-Ioneninteraktionsbereichs insbesondere glatt gekrümmt. Wie in der Technik allgemein bekannt, kann die Querschnittskontur des RF-Elektroden-loneninteraktionsbereichs insbesondere hyperbolisch oder eine Annäherung an eine hyperbolische Kontur, insbesondere eine kreisförmige Kontur, sein. Andere Konturen können in Abhängigkeit von der Anwendung verwendet werden. Beispielsweise können die RF-Elektroden jeweils einen RF-Elektroden-loneninteraktionsbereich mit zwei zueinander orthogonalen, flachen Oberflächenelementen in symmetrischer Ausrichtung aufweisen, wobei die Winkelhalbierende zwischen den Oberflächenelementen in Richtung der longitudinalen Achse zeigt. Der Querschnitt der RF-Elektroden kann bei einer solchen Ausführung z.B. quadratisch oder rechteckig sein.

[0045] Im Betrieb sind die RF-Elektroden in der Regel an eine Hochspannungs-RF-Quelle angeschlossen. Paare von diametral gegenüberliegenden RF-Elektroden sind jeweils in der Regel leitungsgebunden gekoppelt und liegen im Betrieb entsprechend auf einem gemeinsamen Potential. In einer Ausgestaltung sind genau vier RF-Elektroden vorhanden. In einer besonderen Variante sind alle RF-Elektroden identisch aufgebaut.

[0046] In einer Ausgestaltung sind vier RF-Elektroden rotationssymmetrisch zur longitudinalen Achse angeordnet, wobei jeweils zwei RF-Elektroden einander gegenüberliegend, insbesondere diametral gegenüberliegend, angeordnet sind.

[0047] Ähnlich wie bei einer bestimmten Anordnung von DC-Elektroden, wie oben beschrieben, können die Symmetrieachsen der RF-Elektroden bei dieser Ausgestaltung im Querschnitt eine Kreuzform bilden. Bei einer Ausgestaltung mit vier DC-Elektroden und vier RF-Elektroden können die entsprechenden Querschnittsformen der DC-Elektroden und der RF-Elektroden um 45 Grad um die longitudinale Achse zueinander gedreht sein und jeweils in Bezug auf die longitudinale Achse zentriert sein.

[0048] Wie bereits erwähnt, können die Schrauben, mit denen die RF-Elektroden und/oder DC-Elektroden befestigt werden, gleichzeitig als elektrische Kontaktelemente dienen.

[0049] In einer besonderen Ausgestaltung, bei der der Gehäusekanal eine Querschnittskontur wie oben beschrieben und mit vier RF-Elektroden versehen ist, ist jede der vier RF-Elektroden in einer Querschnittsansicht an einer Ecke der quadratischen Querschnittskontur angeordnet. Jede der vier RF-Elektroden ist bei einer solchen Konstruktion entsprechend an der Verbindungsstelle zweier benachbarter Seiten angeordnet. Bei einer solchen quadratischen Querschnittskontur wird der Gehäusekanal in Umfangsrichtung von vier, z. B. identischen, ebenen Oberflächenelementen begrenzt. Bei einer solchen Ausgestaltung können die Endabschnitte zweier in Umfangsrichtung benachbarter Flächenelemente des Gehäusekanals zusammen eine Elektrodenbefestigungsstruktur für eine entsprechende RF-Elektrode bilden und weither durch eine entsprechende abgeschrägte Oberfläche, wie zuvor beschrieben, voneinander getrennt sein.

[0050] In einer Ausgestaltung mit sowohl DC-Elektroden als auch RF-Elektroden, insbesondere mit jeweils einer gleichen Anzahl von jeweils z. B. vier DC-Elektroden und RF-Elektroden, sind die DC-Elektroden und RF-Elektroden in Bezug auf die longitudinale Achse in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Dies ist z.B. bei den zuvor besprochenen Ausgestaltungen der Fall.

[0051] Es wird darauf hingewiesen, dass bei Ausgestaltungen mit sowohl RF-Elektroden als auch DC-Elektroden die Querschnittskonturen der RF-Elektroden und der DC-Elektroden hinsichtlich des loneninteraktionsbereichs und/oder des Basisteils, insbesondere der Gehäusebefestigungsstruktur, unterschiedlich sein können.

[0052] In einer Ausführungsform umfasst das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz ein erstes Gehäuseteil und ein strukturell getrenntes zweites Gehäuseteil. Das erste und das zweite Gehäuseteil sind entlang der longitudinalen Achse beabstandet zueinander angeordnet. Der Gehäusekanal weist dabei einen ersten Gehäusekanalabschnitt auf, der sich in dem ersten Gehäuseteil erstreckt, und einen zweiten Gehäusekanalabschnitt, der sich in dem zweiten Gehäuseteil erstreckt. Ein erster Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt jeder Elektrodenbefestigungsstruktur ist im ersten Gehäuseteil und ein zweiter Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt jeder Elektrodenbefestigungsstruktur ist im zweiten Gehäuseteil ausgebildet. Für jede Elektrode berührt ein erster Gehäusebefestigungsstrukturabschnitt den entsprechenden ersten Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt des ersten Gehäuseteils und ein zweiter Gehäusebefestigungsstrukturabschnitt den entsprechenden zweiten Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt des zweiten Gehäuseteils. Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil sind dementsprechend über die Elektroden strukturell verbunden. Die Elektroden weisen jeweils keine strukturell getrennten ersten und zweiten Teile auf, sondern sind durchgehend bzw. durchgängig.

[0053] Der Abschnitt der Elektrodenanordnung, in dem die Elektroden von dem ersten Gehäuseteil umgeben sind und durch den sich der erste Gehäusekanalabschnitt erstreckt, wird als erster Elektrodenanordnungsabschnitt bezeichnet, und der Abschnitt der Elektrodenanordnung, in dem die Elektroden von dem zweiten Gehäuseteil umgeben sind und durch den sich der zweite Gehäusekanalabschnitt erstreckt, wird als zweiter Elektrodenanordnungsabschnitt bezeichnet.

[0054] Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil können als zwei getrennte Gehäuse betrachtet werden, die entlang der longitudinalen Achse zueinander beabstandet und zueinander ausgerichtet sind. Das Gleiche gilt für den ersten und den zweiten Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt. Der erste und der zweite Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt sind für jede Elektrode so ausgerichtet, dass der zweite Abschnitt in geradliniger Verlängerung des ersten Abschnitts angeordnet ist.

[0055] Der Abschnitt der Elektrodenanordnung zwischen dem ersten Elektrodenanordnungsabschnitt und dem zweiten Elektrodenanordnungsabschnitt wird als Zwischenelektrodenanordnungsabschnitt bezeichnet. Der Abschnitt jeder Elektrode, der sich in dem Abschnitt der Elektrodenanordnung erstreckt, wird als Elektrodenzwischenabschnitt bezeichnet. Der Elektrodenzwischenabschnitt befindet sich dementsprechend zwischen und angrenzend an den ersten Elektrodenabschnitt und den zweiten Elektrodenabschnitt.

[0056] Eine Öffnung des ersten Gehäusekanalabschnitts, die dem zweiten Gehäuseteil zugewandt ist, wird als interne Ausgangsöffnung bezeichnet. In ähnlicher Weise wird eine Öffnung des zweiten Gehäusekanalabschnitts, die dem ersten Gehäuseteil zugewandt ist, als interne Eingangsöffnung bezeichnet. Die Eingangsöffnung, die interne Ausgangsöffnung, die interne Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung sind in Bezug auf die longitudinale Achse zueinander ausgerichtet. Im Betrieb treten die Ionen an der Eingangsöffnung in den ersten Gehäusekanalabschnitt ein, bewegen sich entlang des ersten Gehäusekanalabschnitts, verlassen den ersten Gehäusekanalabschnitt an der inneren Ausgangsöffnung, bewegen sich entlang des Zwischenabschnitts, treten an der inneren Eingangsöffnung in den zweiten Gehäusekanalabschnitt ein, bewegen sich entlang des zweiten Gehäusekanalabschnitts und verlassen den zweiten Gehäusekanalabschnitt an der Ausgangsöffnung.

[0057] Die hier beschriebene Ausführung mit baulich getrennten Gehäuseteilen ist besonders günstig, wenn die Elektrodenanordnung ein Ionenleiter ist, der z.B. als Transfermultipol, insbesondere Transferquadrupol, dienen kann. Der Spaltabschnitt dient vorteilhaft zur Absaugung des Gases, das sich im ersten Gehäusekanalabschnitt befindet. Der zweite Abschnitt der Elektrodenanordnung dient dazu, das Gas zu pumpen und die Ionen zum nächsten Element im System zu übertragen.

[0058] In einer Ausgestaltung treffen von einem beliebigen Punkt innerhalb des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz und auf der longitudinalen Achse weniger als 3 %, vorzugsweise weniger als 1 %, noch bevorzugter 0,1 %, aller Linien, die sich radial von der longitudinalen Achse aus erstrecken, auf das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz. Mit anderen Worten ist bei einer solchen Konstruktion die longitudinale Achse im Wesentlichen vollständig in Umfangsrichtung von den Elektroden umgeben. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass keine oder höchstens wenige Ionen auf die innere Umfangsfläche des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz auftreffen können. Ionen, die auf das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz treffen, bewirken in der Regel eine Aufladung des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz, was zu unerwünschten Feldverzerrungen führt.

[0059] Bei der Elektrodenanordnung handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen Ionenleiter, eine Kollisionszelle oder ein Massenfilter.

[0060] Bei einem Ionenleiter kann die Elektrodenanordnung wie zuvor beschrieben mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil ausgeführt werden, die in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet sind. Bei einer Kollisionszelle ist einer der axialen Endabschnitte des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz in einer Ausgestaltung konisch oder kegelstumpfförmig, wie zuvor beschrieben.

[0061] An der Eingangs- und/oder Ausgangsseite kann eine eingangs- und/oder ausgangsseitige Endplatte angeordnet sein, die in einer Ausgestaltung die Eingangs- bzw. Ausgangsöffnung im Wesentlichen verschliesst. Eine solche Endplatte kann eine zentrale, durchgehende lonendurchgangsöffnung aufweisen, die in Bezug auf die longitudinale Achse zentriert angeordnet sein kann, um den Eintritt bzw. Austritt von Ionen zu ermöglichen. In einer typischen Ausführung kann eine solche lonendurchgangsöffnung einen Durchmesser im Bereich von z. B. 1 mm haben.

[0062] In einer Ausgestaltung umfasst das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz eine Befestigungsstruktur für die Elektrodenanordnung. In einer Ausgestaltung kann die Befestigungsstruktur der Elektrodenanordnung einen Befestigungsflansch umfassen. Ein solcher Befestigungsflansch kann im Allgemeinen an der Eingangsseite und/oder an der Ausgangsseite angeordnet sein.

[0063] In einer Ausgestaltung umfasst die Elektrodenanordnung eine elektrische Verbindungsvorrichtung. Die elektrische Verbindungsvorrichtung ist so konfiguriert, dass sie die Elektroden untereinander und/oder mit weiteren Schaltkreisen, wie z. B. einer RF-Quelle und/oder einer DC-Quelle zur Bereitstellung der benötigten elektrischen RF- bzw. DC-Signale, elektrisch verbindet. In einer Ausgestaltung stellt die elektrische Verbindungseinrichtung eine leitungsgebundene Verbindung zwischen RF- und DC-Elektroden her, die im Betrieb jeweils auf einem gemeinsamen Potential liegen. Beispielsweise liegen die vier DC-Elektroden im Betrieb bei der zuvor beschriebenen Konstruktion alle auf demselben Gleichspannungspotential und jedes diametral gegenüberliegende RF-Elektrodenpaar ist mit demselben RF-Signal verbunden.

[0064] In einer Ausgestaltung umfasst die elektrische Anschlussvorrichtung mindestens eine flexible Leiterplatte (FlexPrint), die das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz ganz, im Wesentlichen ganz oder teilweise umlaufend umgibt. In einer Ausgestaltung ist eine Anzahl von FlexPrints an verschiedenen Stellen entlang der longitudinalen Achse vorgesehen. Insbesondere bei Ausgestaltung, bei denen die Befestigungsschrauben der Elektroden zusätzlich als elektrische Kontaktelemente dienen, können sich diese Befestigungsschrauben durch entsprechende Öffnungen in den FlexPrints erstrecken. Der elektrische Kontakt mit den Leiterbahnen auf den FlexPrints kann z. B. über Unterlegscheiben hergestellt werden.

[0065] Die Erfindung betrifft weiter ein ionenoptisches Instrument, wie z. B. ein Massenspektrometer. Das ionenoptische Instrument umfasst mindestens eine Elektrodenanordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen kann das ionenoptische Instrument in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise ausgestaltet sein.

[0066] Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung kann insbesondere eine Elektrodenanordnung gemäss einer beliebigen Ausgestaltung sein, wie oben und/oder weiter unten beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz. Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz erstreckt sich in einer longitudinalen Richtung entlang einer longitudinalen Achse und weist einen Gehäusekanal auf, der sich in der longitudinalen Richtung zwischen einer Eingangsöffnung und einer Ausgangsöffnung erstreckt. Der Gehäusekanal weist eine umlaufende Kanalkontur auf, die mindestens vier Elektrodenbefestigungsstrukturen definiert. Die Elektrodenbefestigungsstrukturen erstrecken sich parallel zueinander in Längsrichtung.

[0067] Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen eines Satzes von mindestens vier separaten Elektroden. Die Elektroden weisen jeweils eine Gehäusebefestigungsstruktur auf. Die Elektroden werden typischerweise spanabhebend gefertigt und können im Allgemeinen wie in der Technik bekannt gestaltet sein. Bei den Elektroden kann es sich in einer Ausgestaltung um RF-Elektroden oder DC-Elektroden handeln, oder teilweise um RF-Elektroden und teilweise um DC-Elektroden, wie oben und/oder weiter unten beschrieben. Für jede Elektrode ist eine entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur vorgesehen. Die Anzahl der Elektroden und Elektrodenbefestigungsstrukturen ist im Allgemeinen identisch.

[0068] Das Verfahren umfasst ferner das Befestigen der jeweiligen Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode an der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur, wobei die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur direkt berührt und die Elektroden sich parallel zueinander entlang der longitudinalen Achse erstrecken.

[0069] In einer Ausgestaltung wird das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz kann in einer besonderen Ausgestaltung nicht bearbeitet werden, insbesondere im Bereich der Elektrodenbefestigungsstrukturen. Die Formgebung im Sol-Gel-Verfahren ist allgemein bekannt und in EP0131057A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Form des Produkts, hier das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz, als Negativform mit einem deutlichen Übermass hergestellt. Im vorliegenden Fall kann die Form im Vergleich zum fertigen gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz z. B. etwa um den Faktor zwei grösser sein. Die Form wird mit dem sogenannten Sol als Vorstufe des endgültigen synthetischen Quarzmaterials befüllt. In einem Sol-Gel-Verfahren wird das Material verfestigt bzw. ausgehärtet und schrumpft definiert und kontrolliert auf seine endgültigen Abmessungen, z. B. das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz. Durch das Übermass der Form kann diese vorteilhaft mit hoher Präzision gefertigt werden.

[0070] Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung und die vorgestellten Ausgestaltungen und Ausführungsformen dazu dienen, einen Überblick oder einen Rahmen für das Verständnis der Art und des Charakters der Offenbarung zu schaffen. Die beigefügten Zeichnungen dienen dem weiteren Verständnis und sind Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien und die Funktionsweise der offengelegten Konzepte zu erläutern.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0071] Die hier beschriebene Erfindung wird aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nicht als Einschränkung der in den beigefügten Patentansprüchen beschriebenen Erfindung zu betrachten sind, besser verstanden. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine beispielhafte Ausgestaltung eines Ionenleiters in perspektivischer Ansicht; Fig. 2 der Ionenleiter aus Fig. 1 in einer Ansicht entlang der longitudinalen Achse; Fig. 3 der Ionenleiter aus Fig. 1 in einem Teilschnitt; Fig. 4 der Ionenleiter aus Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung; Fig. 5 das synthetische Quarzgehäuse des Ionenleiters aus Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht; Fig. 6 das Gehäuse aus synthetischem Quarz aus Fig. 5 in einem Teilschnitt; Fig. 7 eine beispielhafte Ausgestaltung einer Kollisionszelle in einer perspektivischen Ansicht; Fig. 8 die Kollisionszelle aus Fig. 7 in einer Ansicht entlang der longitudinalen Achse; Fig. 9 die Kollisionszelle aus Fig. 7 in einem Teilschnitt; Fig. 10 die Kollisionszelle aus Fig. 7 in einem Teilschnitt; Fig. 11 das synthetische Quarzgehäuse einer Kollisionszelle ähnlich Fig. 7 in einer perspektivischen Ansicht; Fig. 12 das Gehäuse aus synthetischem Quarz aus Fig. 11 in einem Teilschnitt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0072] Im Folgenden wird im Detail auf bestimmte Ausführungsformen Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen einige, aber nicht alle Merkmale gezeigt werden. In der Tat können die hier offengelegten Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollten nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt verstanden werden, vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenlegung die geltenden rechtlichen Anforderungen erfüllt. Wann immer möglich, werden gleiche Referenznummern verwendet, um sich auf gleiche Merkmale zu beziehen. Merkmale, die mehrfach vorhanden sind, müssen nicht jedes Mal erwähnt werden. Ausserdem werden Merkmale, die in mehreren Zeichnungen zu sehen sind, möglicherweise nicht in allen Zeichnungen referenziert.

[0073] Im Folgenden wird zunächst auf dieFiguren 1, 2, 3, 4, 5und6Bezug genommen, in denen eine Ausgestaltung eines Ionenleiters 1 als beispielhafte Elektrodenanordnung gemäss der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist.Figur 1zeigt eine perspektivische Ansicht,Figur 2eine Frontalansicht entlang der longitudinalen Achse X,Figur 3einen perspektivischen Teilschnitt undFigur 4eine perspektivische Explosionsansicht.Figur5zeigt das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz des Ionenleiters 1 in einer perspektivischen Ansicht undFigur 6das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz in einem Teilschnitt.

[0074] Der Ionenleiter 1 umfasst ein gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz, das in der dargestellten Ausführung ein erstes Gehäuseteil 11-1 und ein separates zweites Gehäuseteil 11-2 umfasst. Sowohl das erste Gehäuseteil 11-1 als auch das zweite Gehäuseteil 11-2 sind aus einem einzigen Stück Material geformt und im Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Das erste Gehäuseteil 11-1 und das zweite Gehäuseteil 11-2 sind im Allgemeinen rohrförmig und entlang der longitudinalen Achse X fluchtend zueinander beabstandet angeordnet. In Kombination bilden das erste Gehäuseteil 11-1 und das zweite Gehäuseteil 2 das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz.

[0075] Das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz weist einen Gehäusekanal 12 auf, der wandartig und allgemein geschlossen umgeben ist. Der Abschnitt des Gehäusekanals im ersten Gehäuseteil 11-1 bildet einen ersten Gehäusekanalabschnitt 12-1 und der Abschnitt des Gehäusekanals 12 im zweiten Gehäuseteil 11-2 bildet einen zweiten Gehäusekanalabschnitt 12-2 (jeweils referenziert inFigur 6). Die Gehäusekanalabschnitte 12-1, 12-2 sind jeweils axial durchgängig und symmetrisch zur longitudinalen Achse X. Die gegenüberliegenden Enden des Gehäusekanals 12 bilden eine Eingangsöffnung 113 bzw. eine Ausgangsöffnung 114 (jeweils inFigur 5referenziert). Die Eingangsöffnung 113 ist an dem nach aussen weisenden Ende des ersten Gehäuseteils 11-1 und die Ausgangsöffnung 114 an dem nach aussen weisenden Ende des zweiten Gehäuseteils 11-2 angeordnet. Die Öffnung im ersten Gehäuseteil 11-1, die dem zweiten Gehäuseteil 11-2 zugewandt ist, ist eine interne Ausgangsöffnung, ebenso wie die Öffnung im zweiten Gehäuseteil 11-2, die dem ersten Gehäuseteil 11-1 zugewandt ist, eine interne Eingangsöffnung ist.

[0076] Der Ionenleiter 1 umfasst acht Elektroden, die an dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz befestigt sind, und zwar vier RF-Elektroden 15 und vier DC-Elektroden 16. Für jede RF-Elektrode 15 ist eine RF-Elektroden-Befestigungsstruktur vorgesehen und für jede DC-Elektrode 16 ist eine entsprechende DC-Elektroden-Befestigungsstruktur vorgesehen, wie weiter unten erläutert.

[0077] Die Querschnittskontur des Gehäusekanals bzw. des ersten Gehäusekanalabschnitts 12-1 und des zweiten Gehäusekanalabschnitts 12-2 ist im Wesentlichen quadratisch (bezeichnet inFigur 4). Für jeden der Gehäusekanalabschnitte 12-1 bzw. 12-2 bildet das entsprechende Gehäuseteil 11-1 bzw. 11-2 eine umlaufende Wand mit jeweils vier im Allgemeinen planaren bzw. flachen Oberflächenelementen 12-1' bzw. 12-2' (bezeichnet in denFiguren 2, 5), die in Kombination die im Wesentlichen quadratische Kontur begrenzen. Zur Befestigung der Elektroden 15, 16 weist das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz Elektrodenbefestigungsstrukturen wie folgt auf: Jede RF-Elektroden-Befestigungsstruktur umfasst jeweils einen ersten Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-1, der durch die umlaufende Gehäusekanalabschnitt-Kontur des ersten Gehäusekanalabschnitts 12-1 definiert ist, und einen zweiten Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-2, der durch die umlaufende Gehäusekanal-Kontur des zweiten Gehäusekanalabschnitts 12-2 definiert ist (jeweils referenziert inFigur 5). Insgesamt gibt es also vier erste RF-Elektroden-Befestigungsstrukturabschnitte 13-1 und vier zweite RF-Elektroden-Befestigungsstrukturabschnitte 13-2, die an den Ecken der quadratischen Querschnittskonturen des ersten Gehäusekanalabschnitts 12-1 bzw. des zweiten Gehäusekanalabschnitts 12-2 angeordnet sind.

[0078] Jeder erste Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-1 umfasst zwei planare Oberflächenelemente 131-1 (inFigur 6bezeichnet), die jeweils durch Endabschnitte benachbarter bzw. angrenzender Oberflächenelemente 12-1' (inFigur 5bezeichnet) der inneren Umfangsfläche des ersten Gehäuseteils 11-1 gebildet werden. In analoger Weise umfasst jeder zweite Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-2 zwei planare Oberflächenelemente 131-1 bzw. 131-2 (bezeichnet in denFiguren 2, 6), die jeweils durch Endabschnitte benachbarter bzw. angrenzender Oberflächenelemente 12-2' (bezeichnet inFigur 5) der Umfangsinnenfläche des ersten Gehäuseteils 11-2 gebildet werden.

[0079] Die jeweils benachbarten bzw. angrenzenden Oberflächenelemente 12-1' bzw. 12-2', die der erste Gehäusekanalabschnitt 12-1 bzw. der zweite Gehäusekanalabschnitt 12-2 umfangsmässig begrenzen, und dementsprechend auch die beiden Oberflächenelemente 131-1 bzw. 131-2 jeder RF-Elektroden-Befestigungsstruktur berühren sich nicht direkt, sondern sind jeweils durch eine dazwischen angeordnete abgeschrägte Oberfläche 131-1' bzw. 131-2' getrennt (vgl.Figuren 2, 6). Auch die abgeschrägten Oberflächen bilden einen Teil der Umfangskontur des Gehäusekanals bzw. seiner Abschnitte 12-1, 12-2.

[0080] Es wird darauf hingewiesen, dass die Oberflächenelemente 131-1 eines ersten Abschnitts der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-1 jeweils Teil eines Oberflächenelements 12-1' der inneren Umfangsfläche des ersten Gehäuseteils 11-1 sind und entsprechend orthogonal zueinander stehen. Ebenso sind die Oberflächenelemente 131-2 eines zweiten Abschnitts der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-2 jeweils Teil eines Oberflächenelements 12-2' der inneren Umfangsfläche des ersten Gehäuseteils 11-2 und stehen orthogonal zueinander.

[0081] Die entsprechenden Gehäusebefestigungsstrukturen der vier RF-Elektroden 15 umfassen jeweils zwei ebene Oberflächenelemente 151 (inFigur 1referenziert), die sich entlang der longitudinalen Achse X erstrecken und Oberflächen des Umfangs der jeweiligen RF-Elektrode 15 sind. Die beiden Oberflächenelemente 151 sind jeweils durch eine abgeschrägte Oberfläche 151' getrennt.

[0082] Wie am besten in denFigur 2undFigur 4zu erkennen ist, wird die Positionierung und Ausrichtung jeder RF-Elektrode 15 durch das Zusammenwirken der zueinander orthogonalen Oberflächenelemente 151 der Gehäusebefestigungsstruktur mit den zueinander orthogonalen entsprechenden Oberflächenelementen 131-1 bzw. 131-2 der Abschnitte der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-1, 13-2 durch flächigen Kontakt bestimmt. Die korrespondierenden abgeschrägten Oberflächen und 131-1' bzw. 131-2' sind dagegen durch einen Spalt beabstandet und berühren sich nicht. Auf diese Weise wird eine geometrische Überbestimmtheit vermieden.

[0083] Wie inFigur 1dargestellt, umfasst jede RF-Elektrode 15 eine RF-Elektrodenbasis 15a mit der Gehäusebefestigungsstruktur bzw. den Oberflächenelementen 151 und der abgeschrägten Oberfläche 151' sowie ein RF-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich 15b (sieheFigur 2) mit einer zur longitudinalen Achse X hin glatt gekrümmten Oberfläche.

[0084] Die vier DC-Elektroden 16 sind in Umfangsrichtung abwechselnd mit den RF-Elektroden 15 angeordnet. Wie inFigur 1bzw.Figur 2dargestellt, umfasst jede DC-Elektrode 16 eine DC-Elektrodenbasis 16a und einen rippenförmigen DC-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich 16b.

[0085] Wie inFigur 5dargestellt, sind die DC-Elektroden-Befestigungsstrukturen bzw. ihre ersten Abschnitte 14-1 und zweiten Abschnitte 14-2 jeweils durch eine Nut mit allgemein U-förmigem Querschnitt gebildet, die in ein entsprechendes Oberflächenelement 12-1' bzw. 12-2' mündet. In einer Querschnittsansicht ist jede Nut symmetrisch in der Mitte des jeweiligen Oberflächenelements 12-1, 12-2 angeordnet. Wie inFigur 2dargestellt, umfasst die entsprechende Gehäusebefestigungsstruktur für jede DC-Elektrode 16 drei Oberflächenelemente 161, die von einem Teil der Umfangskontur der jeweiligen DC-Elektrodenbasis gebildet werden, komplementär zu den Nuten 14-1, 14-2.

[0086] Zur elektrischen Kontaktierung der RF-Elektroden 15 und DC-Elektroden 16 ist ein FlexPrint 173 (sieheFigur 4) um einen Teil des ersten Gehäuseteils 11-1 herum angeordnet. Eine Aussenfläche des FlexPrint 173 trägt Leiterbahnen 173' zur elektrischen Kontaktierung der RF-Elektroden 15, 16 über die Schrauben 171. Zumindest einige der Schrauben dienen demnach auch als elektrisches Kontaktelement.

[0087] Wie am besten inFigur 4zu erkennen ist, wird jede Elektrode 15, 16 mit zwei Schrauben 171 befestigt, von denen sich eine durch das erste Gehäuseteil 11-1 und die andere durch das zweite Gehäuseteil 11-2 erstreckt. Nur die Schrauben 171 am ersten Gehäuseteil 11-1, die sich durch den FlexPrint 173 hindurch erstrecken, dienen als elektrische Kontaktelemente. Wie am besten inFigur 2zu erkennen ist, durchqueren die Schrauben 171 zur Befestigung der RF-Elektroden 15 jeweils den vorgenannten Spalt, der zwischen den abgeschrägten Oberflächen 131-2', 151' vorhanden ist.

[0088] Zur elektrischen Verbindung der Leiterbahnen 173' mit weiteren Schaltungen, insbesondere einer RF- und DC-Versorgung, weist der FlexPrint 173 einen Kontaktbereich 174 auf.

[0089] Im Folgenden wird zusätzlich auf dieFiguren 7bis12verwiesen, in denen Ausgestaltungen einer Kollisionszelle 1' als weitere beispielhafte Elektrodenanordnung dargestellt sind. Die Kollisionszelle 1' ist in einigen Aspekten ähnlich aufgebaut wie der Ionenleiter 1. Daher konzentriert sich die folgende Beschreibung auf die Unterschiede. DieFiguren7bis12entsprechen im Wesentlichen denFiguren 1bis6. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass sich dieFiguren 11und12, die nur das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz 11 zeigen, auf eine Ausgestaltung beziehen, die sich in einem Aspekt von der in denFiguren 7bis10gezeigten Konstruktion unterscheidet, wie weiter unten erläutert wird.

[0090] Im Gegensatz zum Ionenleiter 1 ist das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz 11 nicht in ein erstes Gehäuseteil und ein separates zweites Gehäuseteil geteilt, sondern aus einem einzigen Stück Material geformt. Dementsprechend haben der Gehäusekanal 12 und die RF-Elektroden-Befestigungsstrukturen 13 und DC-Elektroden-Befestigungsstrukturen 14 keine separaten ersten und zweiten Abschnitte, sondern sind axial durchgängig.

[0091] Ferner hat das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz 11 in den dargestellten Ausführungen einen angeformten Befestigungsflansch an einem seiner Längsenden. Ein solcher Befestigungsflansch 111 könnte jedoch auch für andere Arten von Elektrodenanordnungen, z. B. für den Ionenleiter 1, vorgesehen werden, sofern dies angemessen ist.

[0092] Das in denFiguren 11, 12dargestellte gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz 11 unterscheidet sich ferner von der Ausführung in den vorangegangenenFiguren 7bis10durch die Gestaltung des dem Befestigungsflansch 111 gegenüberliegenden Endabschnitts. In denFiguren 7bis10ist der Gehäusekanal 12 axial durchgängig mit konstantem Querschnitt. Ausserdem erstrecken sich die Elektrodenbefestigungsstrukturen 12, 13 und die Elektroden 15, 16 über die gesamte Länge des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz 11 entlang der longitudinalen Achse X. In der Ausführung derFiguren 11, 12weist das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz 11 dagegen ein kegelstumpfförmiges axiales Endstück 112 an der Austrittsseite auf. Folglich erstrecken sich die Elektrodenbefestigungsstrukturen 12, 13 nicht in Längsrichtung von einem Ende zum anderen, sondern enden innerhalb des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz 11 vor dem Übergang zum kegelstumpfförmigen Endstück 112. Auch die Elektroden 15, 16 erstrecken sich dementsprechend nicht über die volle Längslänge des gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz 11.

BEZUGSZEICHEN

[0093] 1 Ionenleiter (Elektrodenanordnung) 1' Kollisionszelle (Elektrodenanordnung) 11 Gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz 11-1 Erstes Gehäuseteil 11-2 Zweites Gehäuseteil 111 Befestigungsflansch 112 Kegelstumpfförmiges Endstück 113 Eingangsöffnung 114 Ausgangsöffnung 12 Gehäusekanal 12-1 Erster Gehäusekanalabschnitt 12-1' Oberflächenelement der inneren Umfangsfläche (erstes Gehäuseteil) 12-2 Zweiter Gehäusekanalabschnitt 12-2' Oberflächenelement der inneren Umfangsfläche (zweites Gehäuseteil) 13 RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-1 Erster Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 13-2 Zweiter Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur 131-1 Oberflächenelement der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur (erster Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur) 131-2 Oberflächenelement der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur (zweiter Abschnitt der RF-Elektroden-Befestigungsstruktur) 131-1' abgeschrägte Oberfläche (erstes Gehäuseteil) 131-2' abgeschrägte Oberfläche (zweites Gehäuseteil) 14 DC-Elektroden-Befestigungsstruktur 14-1 Erster Abschnitt der DC-Befestigungsstruktur 14-2 Zweiter Abschnitt der DC-Befestigungsstruktur 15 RF-Elektrode 15a RF-Elektrodenbasis 15b RF-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich 151 Oberflächenelement der Gehäusebefestigungsstruktur (RF-Elektrode) 151' abgeschrägte Oberfläche 16 DC-Elektrode 16a DC-Elektrodenbasis 16b DC-Elektroden-Ioneninteraktionsbereich 161 Oberflächenelement der Gehäusebefestigungsstruktur (DC-Elektrode) 171 Schraube 173 Leiterbahn 174 Kontaktbereich X longitudinale Achse

Claims (10)

1. Elektrodenanordnung (1, 1'), wobei die Elektrodenanordnung (1, 1') ein gegossenes Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) und einen Satz von mindestens vier separaten Elektroden (15, 16) aufweist, a) wobei sich das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) in einer longitudinalen Richtung entlang einer longitudinalen Achse (X) erstreckt und einen Gehäusekanal (12) aufweist, der sich in der longitudinalen Richtung zwischen einer Eingangsöffnung (113) und einer Ausgangsöffnung (114) erstreckt, wobei der Gehäusekanal (12) eine umlaufende Kanalkontur aufweist, die mindestens vier Elektrodenbefestigungsstrukturen (13, 14) definiert, wobei jede Elektrodenbefestigungsstruktur (13, 14) einer der Elektroden (15, 16) zugeordnet ist, b) wobei die Elektroden (15, 16) jeweils an dem gegossenen Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) befestigt sind, wobei die Elektroden (15, 16) jeweils eine Gehäusebefestigungsstruktur aufweisen, wobei die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode (15, 16) die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur (13, 14) direkt berührt und die Elektroden (15, 16) parallel zur longitudinalen Achse (X) verlaufen.

2. Elektrodenanordnung (1, 1') nach Anspruch 1, wobei das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) einen Verlusttangens von weniger als 0,1%, vorzugsweise weniger als 0,02%, insbesondere unterhalb von 10MHz, aufweist.

3. Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) aus synthetischem Quarz hergestellt ist, der zu mindestens 99 Gew.-% aus Siliziumdioxid besteht.

4. Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 8e-7/K aufweist.

5. Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) den Gehäusekanal (12) geschlossen umgibt.

6. Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) ein erstes Gehäuseteil (11-1) und ein strukturell getrenntes zweites Gehäuseteil (11-2) aufweist, wobei das erste (11-1) und das zweite (11-2) Gehäuseteil entlang der longitudinalen Achse (X) beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei der Gehäusekanal (12) einen ersten Gehäusekanalabschnitt (12-1) aufweist, der sich in dem ersten Gehäuseteil (11-1) erstreckt, und einen zweiten Gehäusekanalabschnitt (12-2) aufweist, der sich in dem zweiten Gehäuseteil (11-2) erstreckt, wobei ein erster Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt (13-1, 14-1) jeder Elektrodenbefestigungsstruktur (13, 14) in dem ersten Gehäuseteil (11-1) ausgebildet ist und ein zweiter Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt (13-2, 14-2) jeder Elektrodenbefestigungsstruktur (13, 14) in dem zweiten Gehäuseteil (11-2) ausgebildet ist, wobei für jede Elektrode (15, 16) ein erster Gehäusebefestigungsstrukturabschnitt den entsprechenden ersten Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt (13-1, 14-1) und ein zweiter Gehäusebefestigungsstrukturabschnitt den entsprechenden zweiten Elektrodenbefestigungsstrukturabschnitt (13-2, 14-2) berührt.

7. Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse aus synthetischem Quarz aus einem einzigen Stück Material geformt ist.

8. Ionenoptisches Gerät, insbesondere Massenspektrometer, wobei das ionenoptische Gerät mindestens eine Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren umfasst: a) Bereitstellen eines gegossenen Gehäuses aus synthetischem Quarz (11), wobei sich das gegossene Gehäuse (11) aus synthetischem Quarz in einer longitudinalen Richtung entlang einer longitudinalen Achse (X) erstreckt und einen Gehäusekanal (12) aufweist, der sich in der longitudinalen Richtung zwischen einer Eingangsöffnung (113) und einer Ausgangsöffnung (114) erstreckt, wobei der Gehäusekanal (12) eine umlaufende Kanalkontur aufweist, die mindestens vier Elektrodenbefestigungsstrukturen (13, 14) definiert, b) Bereitstellen eines Satzes von mindestens vier separaten Elektroden (15, 16), wobei die Elektroden jeweils eine entsprechende Gehäusebefestigungsstruktur aufweisen, c) Befestigen der jeweiligen Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode an der entsprechenden Elektrodenbefestigungsstruktur, wobei die Gehäusebefestigungsstruktur jeder Elektrode (15, 16) die entsprechende Elektrodenbefestigungsstruktur (13, 14) direkt berührt und die Elektroden (15, 16) sich parallel zueinander entlang der longitudinalen Achse (X) erstrecke

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das gegossene Gehäuse aus synthetischem Quarz (11) in einem Sol-Gel-Prozess hergestellt wird.