專利名稱：在離子阱裝置中實(shí)現(xiàn)平衡射頻場的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所公開的實(shí)施例大體上涉及實(shí)現(xiàn)離子阱裝置的技術(shù)，更具體地 涉及一種在離子阱裝置中實(shí)現(xiàn)平衡射頻(RF)場的系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)代電子分析裝置設(shè)計(jì)者和制造商的一個(gè)重要問題，是開發(fā)實(shí)現(xiàn)分析 儀器的有效方法。然而，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，利用電子裝置有效地進(jìn)行分 析程序可能面臨重大的挑戰(zhàn)。例如，對增強(qiáng)的裝置功能與性能愈來愈多的 需求，可能需要更多的系統(tǒng)功能并需要更多資源。由于生產(chǎn)成本的增加和 操作的無效率，功能或者其它需求的增加還可能導(dǎo)致相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)上的不利 影響。
進(jìn)一步來說，能夠進(jìn)行各種增強(qiáng)操作的系統(tǒng)可能會使系統(tǒng)使用者額外 受惠，但是也可能會對各種裝置構(gòu)件的控制和管理有更高的要求。例如， 在某些環(huán)境下，可以用離子阱裝置對離子化的測試樣品進(jìn)行各種分析。離 子阱內(nèi)捕獲的來自測試樣品的離子，可以通過離子阱中的一個(gè)或多個(gè)噴射 槽口以質(zhì)量選擇的方式噴射或者"掃掠輸出，，，并且通過檢測這些噴射出的 離子，可以建起與注入的測試樣品相對應(yīng)的質(zhì)量頻譜。
此類噴射槽口的運(yùn)用，有可能會使該離子阱的電磁場特性表現(xiàn)出一定 程度不希望的非線性。為了對離子化的測試樣品進(jìn)行最佳分析，離子阱理 想的運(yùn)作應(yīng)當(dāng)具有盡可能線性的場特性。因此，在某些實(shí)施例中，可以選 擇離子阱的物理特征來補(bǔ)償噴射槽口 ，從而在離子阱內(nèi)提供更加線性的場 特性。改變離子阱的物理尺寸可以改善非線性的場特性，但是也可能會導(dǎo)致 離子阱中不平衡的中線電勢。在離子阱運(yùn)作時(shí)，該不平衡的中線電勢會引 起各種性能問題。例如，將一個(gè)離子化的測試樣品置入離子阱的離子注入 過程，在進(jìn)入的離子易受到不平衡中線電勢作用時(shí)，可能會受到負(fù)面的影 響。這種不平衡的中線電勢可能會導(dǎo)致注入效率較差，或者導(dǎo)致離子阱裝 置的捕獲效率有顯著的質(zhì)量偏倚。
由于對系統(tǒng)資源不斷增長的需求，以及分析要求不斷增加的復(fù)雜性， 很明顯，對于相關(guān)的電子技術(shù)來說，開發(fā)實(shí)現(xiàn)分析儀器的新技術(shù)是至關(guān)重 要的。因此，綜上所述的理由，開發(fā)實(shí)現(xiàn)分析儀器的有效技術(shù)，依然是現(xiàn) 代分析儀器的設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)商以及使用者極關(guān)注的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開一種有效補(bǔ)償由四極離子阱中場失真特性產(chǎn)生的非 線性場分量的系統(tǒng)與方法，其通過表面幾何形狀的確定來提供補(bǔ)償，可減 少非線性場分量并且在該離子阱中產(chǎn)生最小的中線射頻電勢。在一實(shí)施例
中，該離子阱包括但不限于各自位于中線周圍的一對Y電極和一對X電極， 以及縱向通過離子阱內(nèi)的捕獲空間的一個(gè)Z軸。在某些實(shí)施例中，至少有 一個(gè)電極包括一個(gè)或多個(gè)噴射槽口，其用于掃掠從離子阱中出來的注入離 子。
Y電極分隔距離可以沿著在Y電極之間穿過中線的Y軸來限定。類似 地，X電極分隔距離可以沿著在X電極之間穿過中線的X軸來限定。在本 實(shí)施例中，Y分隔距離和X分隔距離長度近似相等。在某些實(shí)施例中，一 Y射頻(RF)信號施加于Y電極，起到在離子阱內(nèi)捕獲注入離子的作用。 類似地，一 X射頻(RF)信號施加于X電極，起到在離子阱內(nèi)捕獲注入 離子的作用。然而，不必只有這些電壓及它們所起的作用。通常Y射頻信號和X射頻信號具有同一頻率，并且相互有180度的相位差。另外，在本 實(shí)施例中，Y射頻信號和X射頻信號通常具有相同的近似電壓水平。
在某些實(shí)施例中，為了有效地補(bǔ)償由噴射槽口引起的非線性場特性而 同時(shí)在離子阱的中線處提供平衡電勢，選擇X電極的形狀以使X電極的曲 率半徑相對Y電才及的曲率半徑減小。
在某些實(shí)施例中，Y電才及和X電極具有雙曲型的內(nèi)部電4及表面，其中 每個(gè)面都面向中線。然而，可以選擇使用任何其它有效的電極幾何表面形 狀。根據(jù)本發(fā)明，可以選擇任何合適的尺寸或者幾何表面形狀，以便在離 子阱的中線處產(chǎn)生平衡的或者近似零伏的RF電勢。電極形狀確定的結(jié)果 是，離子阱表現(xiàn)出顯著改善的線性場特性，非線性場分量已最小化，同時(shí) 還在中線處提供平衡或者近似零伏的RF電勢。至少基于以上的理由，本 發(fā)明提供一種改進(jìn)的系統(tǒng)和方法，在離子阱中有效地實(shí)現(xiàn)平衡的RF電場。


為了更好地理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)與目的，結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)描 述，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的離子阱的正視圖2是圖1中離子阱的一個(gè)基本實(shí)施例的截面圖3A和3B是坐標(biāo)圖，對離子阱中線性場強(qiáng)特性和非線性場強(qiáng)特性進(jìn) 行圖示說明；
圖4是圖1中離子阱的一個(gè)實(shí)施例的截面圖5是圖4中離子阱的一個(gè)實(shí)施例中不平衡中線電勢的線7圖6是根據(jù)本發(fā)明圖1中離子阱的一個(gè)實(shí)施例的截面圖7A、 7B和7C是波形圖，對圖4中離子辨的一個(gè)實(shí)施例中不平衡 中線電勢進(jìn)行圖示說明；
圖8A、 8B、 8C和8D是圖示說明圖6中離子阱的一個(gè)實(shí)施例中平衡 中線電勢的線圖9是根據(jù)本發(fā)明圖1中離子阱的一個(gè)實(shí)施例的截面圖10是根據(jù)本發(fā)明圖示說明用來限定雙曲線曲率半徑的技術(shù)的線以及
圖11是4艮據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例圖示說明圖9中離子阱的平衡中線電勢 的線圖。
在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記是指對應(yīng)的部件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及對分析儀器技術(shù)上的改進(jìn)。下面的描述和圖示說明的給出 使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且是在發(fā)明申請中及其 要求的情境下提供。對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，對各公開實(shí)施例的各種 改動都是顯而易見的，并且此處的一般性原理都適用于其它實(shí)施例。因此， 意圖不在于將本發(fā)明局限于所示的實(shí)施例，而是給其符合此處所述原理和 特征的廣泛范圍。
現(xiàn)在參照圖1,才艮據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出的離子阱112的正視圖。 在其它實(shí)施例中，可以添加或者替換某些結(jié)合圖1至-12所示的實(shí)施例論 述的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)圖l-12中的實(shí)施例。例如，圖1中的實(shí)施例示 出一個(gè)三段式(three-sectioned)的離子阱112,但是本發(fā)明并不局限于此種特定的分段結(jié)構(gòu)。另外，圖1-12中的圖示只是在此處用于說明和討論本 發(fā)明的某些原理，因此圖l-12并不一定解釋為表示上述主題的絕對標(biāo)尺圖形。
在圖l實(shí)施例中，離子阱112包括，^f旦不限于，沿垂直的Y軸相對排 列的一對Y電極116 (a)和116 (b)。另外，離子阱112還包括沿水平的 X軸相對排列一對X電極120 (a)和120 (b)。在圖1實(shí)施例中，前述水 平的X軸是垂直的Y軸旋轉(zhuǎn)近似九十度。電極116(a)、 116 (b)、 120(a) 和120(b)中每一個(gè)都與縱向的Z軸近似平行，形成通過離子阱112內(nèi)的 捕獲空間的中線。前述的Z軸與X軸和Y軸近似正交。
在運(yùn)作時(shí)，在X電極120 (a)和120 (b)上以及Y電極116 (a)和 116(b)上施加各種選取的捕獲電勢，以便將注入的離子保留在離子阱112 內(nèi)。在圖l的實(shí)施例中，前述的捕獲電勢可能包括任何有效信號源產(chǎn)生的 適合的射頻(RF)信號。接著來自離子化測試樣品的離子通過離子阱112 的一個(gè)離子注入端，注入到捕獲空間。然后離子阱112里的離子通過X電 極120 (a)和120 (b)上相對的噴射槽口 124,以質(zhì)量選擇的方式徑向噴 射或"掃掠輸出"。
在某些實(shí)施例中，離子阱112可能有不同數(shù)目的噴射槽口 124 (比如 單個(gè)噴射槽口 124)。通過4全測噴射出的離子，會有利地建起與注入測試樣 品相對應(yīng)的質(zhì)量頻譜。對離子阱各種實(shí)施例的詳細(xì)論敘述會在專利號為 6，797，950和專利號為5,420,425的美國專利中找到，專利號為6,797,950的 美國專利才示題為"Two-Dimensional Quadrupole Ion Trap Operated as a Mass Spectrometer"(用作質(zhì)譜儀的兩維四極離子阱)，其頒發(fā)日期為2004年9 月28日；專利號為5,420,425的美國專利標(biāo)題為"Ion Trap Mass Spectrometer System and Method"(離子阱質(zhì)傳儀系統(tǒng)及方法)，其頒發(fā)日期為1995年5 月30日。離子阱112的實(shí)現(xiàn)與功能下面結(jié)合圖2至11進(jìn)一步論述。
現(xiàn)在參照圖2,示出圖1中離子阱112的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。圖2 的實(shí)施例示出離子阱112的橫截面，是從離子阱112兩端中無論哪一端沿
9Z軸(見圖1)看過去所見的。在圖2實(shí)施例中，離子阱112包括，但不
限于，各自位于中線214周圍的Y電極116 (a)、 Y電極116 (b)、 X電 極120 (a)和X電極120 (b)，而中線214沿Z軸縱向通過離子阱112的 捕獲空間。在圖2實(shí)施例中，X電極120(a)包括一個(gè)噴射槽口 124(a), 而X電才及120 (b)類似地包含一個(gè)噴射槽口 124 (b),用來將離子掃掠出 離子阱112。
圖2實(shí)施例中，Y軸由Y分段216 (a)和Y分段216 (b)形成。Y 分段216 (a)是從中線214到Y(jié)電極116 (a)的距離，而Y分段216 (b) 是從中線214到Y(jié)電極116(b)的距離。在圖2實(shí)施例中，Y分段216(a) 與分段216 (b)長度近似相等，或基本上相同。類似地，X軸由X分段 220 ( a)和X分段220 ( b )形成。X分段220 ( a)是從中線214到X電 極120 ( a)的距離，而X分段220 ( b )是從中線214到X電極120 ( b) 的距離。在圖2實(shí)施例中，X分段220 (a)與分段220 (b)長度近似相等， 或基本上相同。為這個(gè)發(fā)明起見，對電極分隔距離來說，"基本上相同"意 味著長度間有相互間1-3%范圍內(nèi)的差異，例如，少于3%的差異、少于2 %的差異、或者少于1%的差異。
在圖2實(shí)施例中， 一射頻(RF)信號Y212 (a)施加于Y電極116 (a) 和116(b)上，起到在離子阱112內(nèi)捕獲注入的離子的作用。類似地，一 射頻(RF)信號X212 (b)加于X電極120 (a)和120 (b)上，起到在 離子阱112內(nèi)捕獲注入的離子的作用。在圖2實(shí)施例中，RF信號Y212(a) 和RF信號X212 (b)通常具有同一近似頻率，而且相互間有近似180度 的相位差。在圖2離子阱112的理想情況下，通常中線214的電勢近似零 伏。對于圖1離子阱112中所生成的電磁場的一個(gè)問題下面結(jié)合圖3進(jìn)一 步論述。
現(xiàn)在參照圖3A和3B,坐標(biāo)示說明圖1離子阱112中線性場強(qiáng)特 性和非線性場強(qiáng)特性。圖3A的坐標(biāo)圖中，垂直軸320表示理想的離子阱 內(nèi)的場強(qiáng)，而水平軸316表示理想的離子阱內(nèi)的位置。圖3A的坐標(biāo) 示說明理想的離子阱理論上應(yīng)在整個(gè)離子阱捕獲空間內(nèi)表現(xiàn)出線性場強(qiáng)
10特性。然而，某些離子阱(包括圖1中的離子阱112)具有噴射孔、槽口
124 (a)和124 (b),其洞穿X電4及120 ( a)和120 ( b )。這些噴射槽口 124 (a)和124 (b)改變了離子阱112內(nèi)的電磁場特性，比如說，通過提 供更多的非線性場分量，而且通常減少了四極電勢分量而改變電磁場特 性。
圖3B的坐標(biāo)示說明圖2中的離子阱112由于噴射槽口 124 (a) 和124 (b)而表現(xiàn)出非線性場強(qiáng)特性，具體來說是負(fù)向偏差。為了對離子 化的測試樣品進(jìn)行最佳的分析，離子阱112理想的運(yùn)作應(yīng)具有線性或者負(fù) 偏差盡量小的場特性。例如，此種場可能會使化學(xué)依賴性(chemical dependant)質(zhì)量偏移成為可觀測的，從而導(dǎo)致錯誤的質(zhì)量測定。這種質(zhì)量偏 移在Raymond E. March和John F丄Todd編著的CRC Series Modern Mass Spectrometry ( CRC現(xiàn)代質(zhì)譜4義系列)中J^I "Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry，，(離子P井質(zhì)譜儀的實(shí)用問題)的第4( IV )章"Fundamentals oflon Trap Mass Spectrometry"(離子阱質(zhì)譜儀基礎(chǔ))中有更加詳細(xì)的闡述， 通過參引在此并入。 一種最小化或補(bǔ)償圖2離子阱116中非線性場分量的 方法下面結(jié)合圖4進(jìn)一步論述。
與圖2中實(shí)施例不同，圖4實(shí)施例示出包含補(bǔ)償特征的離子阱112, 即通過使X分段220 (a)和220 (b)比Y分I殳216 (a)和216 (b)長， 而使該離子阱在X軸方向"拉伸"。上述X軸方向的拉伸過程具有補(bǔ)償噴射 槽口 124 (a)和124 (b)的有利效應(yīng)，以便在離子阱112內(nèi)提供更加線性 的場特性。
另外，在圖4實(shí)施例中，正如通常情況下那樣，RF信號Y212(a)和 RF信號X212 (b)的電壓水平近似相同。為圖示說明起見，圖4示出射頻 信號Y212 ( a)等于100伏，而且示出RF信號X212 ( b )與RF信號Y212 (a)匹配，但是有180度的相位差(負(fù)IOO伏)。也可以采用任何其它有 效和適合的匹配電壓水平。由于電壓數(shù)值相等但電極間隔不等，這個(gè)配置 會導(dǎo)致一個(gè)基本上不等于零的中線電勢。對于圖4離子阱112里中線214 的不平衡電勢的一個(gè)問題下面結(jié)合圖5進(jìn)一步述。圖5的線圖示出圖4離子阱11 2的橫截面圖，是從離子阱112兩端中無論哪一端沿Z軸(見圖l)看過去所見的。在圖5實(shí)施例中，離子阱112包括，^旦不限于，各自位于中線214周圍的Y電極116 (a)、 Y電極116(b)、 X電極120 (a)和X電極120 (b),而中線214沿Z軸縱向穿過離子阱112的捕獲空間。正如以上結(jié)合圖2至4所討論的那樣，如圖5的線圖所示，離子阱112包括補(bǔ)償特征，其在X軸方向"拉伸"以補(bǔ)償某些場缺陷。
在圖5的線圖中，示出中線214具有近似24.4伏的不平衡及非零的電勢，對應(yīng)與X電極間隔開特定量時(shí)的總電勢。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，取決于離子阱112的具體實(shí)現(xiàn)方式，可能建起各種其它不平衡的中線電勢值。在圖5實(shí)施例中，X電極120 (a)和120 (b)位于比Y電極116 (a)和116 (b)離中線214更遠(yuǎn)的距離，因此對圖5中離子阱112的中線電勢的影響較小。
如前所述，X軸方向與Y軸方向上電極位置的差異改善(通常最小化)了非線性場特性，但是也會導(dǎo)致離子阱112中不平衡的中線電勢。此不平衡的中線電勢可能導(dǎo)致離子阱112運(yùn)作過程中的各種性能問題。例如，將離子化的測試樣品置入離子阱112的離子注入過程包括沿中心軸注入離子，當(dāng)與在中線214處有平衡的零伏電勢相比進(jìn)入的離子易受不平衡的中線電勢的作用時(shí)，該過程可能受到負(fù)面的影響。這會導(dǎo)致注入效率較差，或者導(dǎo)致捕獲效率有顯著的質(zhì)量偏倚。另外，在某些實(shí)施例中，由于不平衡的中線電勢，從離子阱112中噴射離子時(shí)還會發(fā)生各種類型的問題。離子噴射在質(zhì)量分析、離子隔離或軸向噴射入第二個(gè)分析裝置的過程中發(fā)生。非零中線電勢會導(dǎo)致軸向噴射出的離子發(fā)生動能擴(kuò)散，這對第二分析裝置來說可能是個(gè)問題。對圖5的離子阱112中不平衡中線電勢進(jìn)行修正的實(shí)施例下面結(jié)合圖6至8D進(jìn)一步論述。
在圖6中，的實(shí)施例與圖4類似，然而RF信號Y212 (a)和RF信號X212(b)特別選取為非匹配電壓水平。在圖6的實(shí)施例中，RF信號X2i2(b )的幅度選取得比RF信號Y212 ( a)的幅度大以便補(bǔ)償X電極120 ( a)
12和120 (b)位于離中線214較遠(yuǎn)的距離，并由此提供中線214處提供一個(gè)平衡的或者說接近零的電勢。為圖示說明起見，圖6示出RF信號212 (a)為等于100伏，并且示出RF信號X212 (b)等于負(fù)145伏。再者，這與特定的X電極的位移相對應(yīng)，然而，也可采用任何其它有效和適合的非匹配電壓水平。例如，在某些實(shí)施例中，RF信號X212 (b)的幅度會相對RF信號Y212(a)的幅度增加近似44%。在某些實(shí)施例中，選取X信號的幅度以產(chǎn)生中線射頻電勢，其小于Y信號幅度的一個(gè)指定百分比(如百分之五、百分之二、或者百分之一)。采用不匹配的RF信號以實(shí)現(xiàn)離子阱112里中線214的平衡電勢在下面結(jié)合圖8A-8D進(jìn)一步論述
現(xiàn)在參照圖7A、 7B和7C，示出特定的時(shí)變波形對圖4中離子阱112實(shí)施例的不平tf中線電勢作進(jìn)一步圖示說明。在圖7A、 7B和7C坐標(biāo)圖中，水平軸324表示時(shí)間，垂直軸316表示幅度。在圖7A的坐標(biāo)圖中，為圖示說明起見，RF信號X212 (b)在正負(fù)100伏之間變化。類似地，在圖7B的坐標(biāo)圖中，RF信號Y212 ( a)在正負(fù)100伏之間變化，但是與RF信號X212(b)成180度相位差。在圖7C的坐標(biāo)圖中，由于中線附近在X與Y方向之間電勢的不平衡，中線214處的電勢顯然不為零，并圖示為在正負(fù)24.4伏之間變化。
可將其與圖8A、 8B和8C的坐標(biāo)圖對照，它們示出波形圖對圖6中離子阱112的一個(gè)實(shí)施例中平衡中線電勢進(jìn)行圖示說明。在圖8A的坐標(biāo)圖中，為圖示說明起見，RF信號X212 (b)在正負(fù)145伏之間變化。然而在圖8B的坐標(biāo)圖中，RF信號Y212 (a)在正負(fù)IOO伏之間變化，但是與RF信號X212 (b)成180度相位差。因此RF信號X212 (b)的幅度與RF信號Y212 (a)的幅度不匹配，然而由于X和Y電極的不同距離，中線附近的電勢更接近相等，但方向相反。這兩個(gè)平衡電勢的結(jié)果是圖8C的坐標(biāo)圖中示出的中線電勢214接近零伏。本發(fā)明中一方面，不僅得到平衡的中線電勢，而且與適合的補(bǔ)償特征相結(jié)合，可以最大化四極離子阱中出現(xiàn)的四極電勢分量，并且通常最小化非線性場分量(即八極和更高階的多極)。現(xiàn)在參照圖8D,示出與圖5類似的線圖，對圖6離子阱112的一個(gè)實(shí)施例的平衡中線電勢進(jìn)行圖示說明。像圖6和圖7中一樣，圖8D實(shí)施例中，RF信號Y212 (a)和RF信號X212 (b)的匹配電壓水平不相同。在圖8實(shí)施例中，RF信號X212 (b)的幅度比RF信號Y212 (a)的幅度選取的要大，以便補(bǔ)償X電極120 (a)和120 (b)位于離中線214較遠(yuǎn)的距離。為圖示說明起見，圖8D示出RF信號Y212 (a)等于IOO伏，并且示出RF信號X212 (b)等于負(fù)145伏。然而，也可選取并采用任何其它有效和適合的非匹配電壓水平。
如圖8D的線圖所示，在X軸方向和Y軸方向上采用前述的非匹配RF信號，可以有利地在中線214處獲得近似為零伏的平衡中線電勢。修正離子阱112中不平衡中線電勢的另一實(shí)施在下面結(jié)合圖9至11論述。
現(xiàn)在參照圖9，示出圖1中離子阱112另一實(shí)施例的截面圖。圖9的實(shí)施例示出離子阱112的橫截面，是從離子阱112兩端中無論哪一端沿Z軸(見圖1)看過去所見的。在圖9實(shí)施例中，離子阱112包括，但不限于，各自位于中線214周圍的Y電極116 (a)、 Y電極116 (b)、 X電極120 (a)和X電才及120 (b),而中線214沿Z軸縱向穿過離子阱112的捕獲空間。在圖9實(shí)施例中，X電極120(a)包括一個(gè)噴射槽口 124(a),而X電極120 (b)類似地包括一個(gè)噴射槽口 124 (b)，用于將離子掃掠出離子阱112。
在圖9實(shí)施例中，Y軸由分段216 (a)和分段216 (b)形成。分段216 (a)是從中線214到Y(jié)電極116 (a)的距離，而分段216 (b)是從中線214到Y(jié)電極116 (b)的距離。在圖9實(shí)施例中，分段216 (a)與分段216(b)長度近似相等。類似地，X軸由分段220 ( a)和分段220 ( b )形成。分段220 (a)是從中線214到X電極120 (a)的距離，而分段220
(b)是從中線214到X電極120 (b)的距離。在圖9實(shí)施例中，分段220
(a)與分段220 (b )長度近似相等。在圖9實(shí)施例中， 一射頻(RF)信號Y212 (a)施加于Y電極116 (a)和116 (b)上以捕獲離子阱112內(nèi)的注入離子。類似地， 一射頻(RF)信號X212 (a)施加于X電才及120 (a)和120 (b)上以捕獲離子阱112內(nèi)的注入離子。在圖9實(shí)施例中，RF信號Y212 (a)和RF信號X212 (b)通常具有同一近似頻率，而且相互間有近似180度的相位差。
另夕卜，在圖9實(shí)施例中，通常RF信號Y212 (a)和RF信號X212 (b)的電壓水平近似一樣。為圖示說明起見，圖9示出RF信號Y212 (a)等于100伏，而且示出RF信號X212 (b)與RF信號Y212 (a)匹配，但是有180度的相位差(負(fù)100伏)。也可以采用任何其它有效和適合的相匹配電壓水平。另外，在某些實(shí)施例中，圖9的實(shí)施例會對RF信號Y212(a)和RF信號X212 (b)采用不匹配的電壓水平，正如結(jié)合圖6所示及所述的那樣。
在圖9實(shí)施例中，為了有效地補(bǔ)償，即最大化四極電勢分量和/或最小化由噴射槽口 124 (a)和124 (b)所產(chǎn)生的非線性場分量(見圖3A和圖3B ),選取X電極120 ( a)和120 ( b )，使得X電極內(nèi)部表面的幾何表面形狀(用X電極120 (a)和120 (b)的曲率半徑表示)比Y電極內(nèi)部表面的幾何表面形狀(用Y電極116 (a)和116 (b)的曲率半徑表示)要小。例如，在圖9的圖形中，示出與Y電極116 (a)和116 (b)的曲率半徑匹配的曲率半徑，用虛線120 (c)和120 (d)疊加在X電極120 (a)和120 (b)上表示。如圖9所繪，X電極120 (a)和120 (b)在Y軸方向的總尺寸，比對應(yīng)的曲率半徑線120 (c)和120 (d)要小，由此提供X電極120(a)和120(b)較小的曲率半徑。
在某些實(shí)施例中，Y電極116 (a)、 Y電極116 (b)、 X電極120 (a)和X電極120 (b)用雙曲型電極表面實(shí)現(xiàn)，且其中每個(gè)表面都面向中線214。然而，可以選擇使用任何其它有效的電極表面形狀。例如，可能是更復(fù)雜的曲面、分段線性或者非曲面的形狀。任何含有一個(gè)或多個(gè)刻痕(V形、橫截面、部分圓弧，等等)、溝、槽口、突起、深溝或者其它此類結(jié)構(gòu)的表面幾何形狀也包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。這些表面幾何形狀通常在Z軸上沿電極的整個(gè)長度均勻延伸。在某些簡單實(shí)施例中，離子阱112的電極表面可能實(shí)現(xiàn)為半園形，其中前述非匹配電極形狀的確定過程通過減少相
應(yīng)的X電才及120 (a)和120 (b)的有效半徑來完成。
在某些實(shí)施例中，Y電極116 (a)和Y電極116 (b)的半徑近似為4毫米，而X電極120 (a)和X電極120 (b)的半徑則減小為近似3.35毫米。在另外一些實(shí)施例中，可選擇任何其它適合的尺寸以在中線214處產(chǎn)生平tf的零伏電勢。另外，在某些實(shí)施例中，不是減小X電極120 (a)和X電極120 (b)的半徑，而是增加Y電極116 (a)和Y電極116 (b)的半徑來得到類似的結(jié)果。電極不匹配的結(jié)果是，圖9中的離子阱112表現(xiàn)出顯著改善的線性場特性。 一種對雙曲電極表面進(jìn)行非匹配電極形狀確定過程的技術(shù)在下面結(jié)合圖IO進(jìn)一步論述。
現(xiàn)在參照圖10,示出線圖根據(jù)本發(fā)明對雙曲面的曲率半徑進(jìn)行限定的技術(shù)進(jìn)行圖示說明。
在圖10的線圖中，示出X電極120 (a)和120 (b)的雙曲電極表面面對縱向Y軸1020和橫向X軸1016的交點(diǎn)(xc,yc) 1032。第一對角線軸1024與第二對角線軸1028交叉于錯開處1032。對角線軸1024和對角線軸1028還限定了多邊形1044四個(gè)頂點(diǎn)的位置。根據(jù)圖IO的實(shí)施例，X半徑(rx )的值1036示出為從Y軸1020沿水平軸1016到X電極120 ( b )的距離。另外，Y半徑的值(ry) 1040示出為水平軸到多邊形1044的Y頂點(diǎn)1048的距離。
可以采用類似的電極形狀的確定過程來限定離子阱112的其它雙曲電極表面的形狀。例如，在具有高度近似0.25毫米的噴射槽口 124 (a)和124 (b)(圖2)的某些實(shí)施例中，可以用變量xc和yc近似等于零，而且變量rx和ry近似等于4毫米，來限定Y電極116 ( a)和116 ( b )。在前述的例子中，可以用變量xc近似等于0.8毫米，變量yc近似等于零，而且變量rx和ry近似等于3.2毫米，來限定X電極120 (a)和120 (b)。前述的電極形狀確定過程的一種效果在下面結(jié)合圖11進(jìn)一步論述?，F(xiàn)在參照圖11,示出線圖對圖9中離子阱112—個(gè)實(shí)施例的平衡中線
電勢進(jìn)行圖示說明。圖11的線圖示出圖9中離子阱112的橫截面，是從離 子阱112兩端中無論哪一端沿Z軸(見圖1 )看過去所見的。在圖11實(shí)施 例中，RF信號Y212 (a)和RF信號X212 (b)通常具有同一近似頻率， 而且相互間有近似180度的相位差。為圖示說明起見，圖11示出RF信號 Y212 (a)等于IOO伏，而且示出RF信號X212 (b)等于負(fù)IOO伏。然而， 也可以選:f又并釆用任何其它有效和適合的電壓水平。如上述結(jié)合圖9實(shí)施 例所論述的，選取X電極120 (a)和120 (b)的形狀以使其曲率半徑相 對Y電極116 (a)和116 (b)的曲率半徑減小。因此圖11中的實(shí)施例規(guī) 定了在離子阱112中更好的和更加線性的場特性。綜合上述理由，本發(fā)明 因而提供一種改進(jìn)的系統(tǒng)和方法，以在離子阱112中有效地實(shí)現(xiàn)平衡RF 場。
以上參考某些實(shí)施例對本發(fā)明做了解釋說明。根據(jù)此次公開，其它實(shí) 施例對本領(lǐng)域4支術(shù)人員來說是顯而易見的。例如，本發(fā)明可以用除了以上 實(shí)施例中所描述的結(jié)構(gòu)和技術(shù)以外的結(jié)構(gòu)和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。另外，本發(fā)明可 以結(jié)合除了上述系統(tǒng)以外的系統(tǒng)來有效地使用。因此，意圖在于基于所討 論實(shí)施例的這些以及其它變型由本發(fā)明所覆蓋，本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要 求書限定。
1權(quán)利要求
1.一種用于補(bǔ)償四極離子阱中場失真特征所建起的非線性場分量的系統(tǒng)，由幾何表面形狀的確定提供的補(bǔ)償減少非線性場分量并在四極離子阱中建起最小的中線射頻電勢，該系統(tǒng)包括包括多個(gè)電極的四極離子阱，排布該多個(gè)電極以限定捕獲空間，該捕獲空間具有與Z軸基本上平行的中線；該多個(gè)電極包括一對Y電極和一對X電極；這對Y電極沿Y軸排成一條直線，所述Y電極與所述Z軸正交，且具有Y幾何形狀確定的內(nèi)部Y電極表面；這對X電極沿X軸排成一條直線，所述X軸與所述Z軸正交并且是所述Y軸旋轉(zhuǎn)近似九十度，所述X電極具有X幾何形狀確定的內(nèi)部X電極表面；沿所述Y軸的所述內(nèi)部Y電極表面之間的Y電極分隔距離，以及沿所述X軸的所述內(nèi)部X電極表面之間的X電極分隔距離，所述X電極分隔距離與所述Y電極分隔距離基本上相同；在至少一個(gè)電極中有一個(gè)或多個(gè)場失真特征，該場失真特征會在離子阱中產(chǎn)生不夠線性或較大負(fù)向非線性的場特性；選取包括所述失真特征的電極的幾何表面形狀以補(bǔ)償所述場失真特征引發(fā)的效應(yīng)；并且所述系統(tǒng)在所述中線處建起平衡的或者接近零的中線射頻電勢。
2. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中場失真特征包含一個(gè)或多個(gè)噴射槽口，該一個(gè)或多個(gè)噴射槽口在離子阱中建起非線性場特性。
3. 權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中該包括一個(gè)或多個(gè)噴射槽口的電極進(jìn)行幾何表面形狀補(bǔ)償，使得該四極離子阱中出現(xiàn)的四極電勢分量最大化。
4. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中該四極離子阱中出現(xiàn)的非線性場分量的總和被最小化。
5. 4又利要求1的系統(tǒng)，其中該X和該Y電才及具有不同的幾何表面形狀。
6. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中這對X電極中的每一個(gè)都包括對幾何表面形狀進(jìn)行不同確定的電極。
7. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中這對Y電極中的每一個(gè)都包括對幾何表面形狀進(jìn)行不同確定的電極。
8. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述幾何表面形狀的確定包括曲率半徑。
9. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還包括Y信號和X信號，所述Y信號耦合在所述Y電極上以將離子保留在所述離子阱內(nèi)，所述Y信號具有Y信號幅度，所述X信號耦合在所述X電極上以將離子保留在所述離子阱內(nèi)，所述X信號具有與所述Y信號幅度近似相等的X信號幅度。
10. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中在所述中線處所述平衡或者接近零的中線射頻電勢近似等于零伏。
11. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述X幾何形狀與所述Y幾何形狀匹配時(shí)，所述中線具有不平衡的中線電勢。
12. 權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述不平衡的中線電勢在某些射頻幅度上捕獲注入離子時(shí)引發(fā)質(zhì)量區(qū)分。
13. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述X電極和所述Y電極具有雙曲形的剖面。
14. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)部Y電極表面和所述內(nèi)部X電極表面每一個(gè)都用半圓形彎曲或分段線性的表面來替換實(shí)現(xiàn)。
15. —種用于補(bǔ)償四極離子阱中場失真特征所建起的非線性場分量的方法，由幾何表面形狀的確定提供的補(bǔ)償減少非線性場分量并在四極離子阱中建起最小的中線射頻電勢，該方法包括以下步驟確定縱向穿過所述離子阱里面的捕獲空間的中線，所述中線與Z軸基本平行；提供沿Y軸排成一條直線的Y電極，所述Y電極具有與所述中線近 似平行的內(nèi)部Y電極表面，所述Y軸在穿過所述離子阱的第 一縱向平面上 與所述Z軸正交，所述內(nèi)部Y電極表面具有Y幾何形狀；并且提供沿X軸排成一條直線的X電極，所述X電極具有與所述中線近 似平行的內(nèi)部X電極表面，所述X軸在穿過所述離子阱的第二縱向平面上 與所述Z軸正交，所述X軸是所述Y軸旋轉(zhuǎn)近似九十度，所述內(nèi)部X電 極表面具有X幾何形狀；提供沿所述Y軸的所述內(nèi)部Y電極表面之間的Y電極分隔距離，以 及沿所述X軸的所述內(nèi)部X電4及表面之間的X電才及分隔距離，所述X電 極分隔距離與所述Y電極分隔距離基本上相同；在至少 一個(gè)電極中插入場失真特征，選取該包括所述場失真特征的電 極的幾何形狀以便補(bǔ)償由所述場失真特征建起的非線性場分量；而且在所述中線處建起平衡或者接近零的中線射頻電勢。
16. —種用于補(bǔ)償四極離子阱中場失真特征所建起的非線性場分量的 系統(tǒng)，由幾何表面形狀的確定提供的補(bǔ)償減少非線性場分量并在四極離子 阱中建起最小的中線射頻電勢，該系統(tǒng)包括穿過所述離子阱里面的捕獲空間的中線；具有與所述中線近似平行的內(nèi)部Y電極表面的一對Y電極，所述內(nèi)部 Y電極表面具有Y幾何形狀；具有與所述中線近似平行的內(nèi)部X電極表面的一對X電極，所述內(nèi)部 X電極表面具有X幾何形狀；Y電極分隔距離，其與X電極分隔距離基本相等；在至少一個(gè)X電^1中的一個(gè)或多個(gè)場失真特征，該場失真特征在離子 阱中提供不夠線性或較大負(fù)向非線性的場特性；所述X幾何形狀選:f又得與所述Y幾何形狀不同以補(bǔ)償由所述一個(gè)或多 個(gè)場失真特征建起的非線性場分量；并且所述的系統(tǒng)在所述中線處建起平衡的或者接近零的中線射頻電勢。
全文摘要
公開一種有效補(bǔ)償四極離子阱中由場失真特性建起的非線性場分量的系統(tǒng)與方法；由表面幾何形狀的確定提供的補(bǔ)償減少非線性場分量并在離子阱中建起最小的中線射頻電勢。該離子阱包括縱向穿過離子阱里面的捕獲空間的中線，具有與中線近似平行內(nèi)部Y電極表面的一對Y電極，以及具有與中線近似平行的內(nèi)部X電極表面的一對X電極。該X電極具有一個(gè)或多個(gè)噴射槽口，被捕獲的離子通過該噴射槽口從所述離子阱中射出。該內(nèi)部Y電極表面各自具有Y曲率半徑，而且該內(nèi)部X電極表面各自具有X曲率半徑。X曲率半徑選取得比Y曲率半徑小。在該離子阱的中線處提供平衡的中線電勢。
文檔編號H01J49/42GK101496131SQ200780017338
公開日2009年7月29日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者邁克爾·W·賽恩科 申請人:塞莫費(fèi)尼根股份有限公司