[其他]利用封闭边界产生静电四极场的结构

说明书

本发明属于电子光学及仪器分析领域。

静电四极场的基本特征是：电场强度与位置呈线性关系。在直角座标系统中，垂直于z轴的x、y平面内，静电四极场的最简单形式是电位v满足下式所示的分式：（见表）

V（X、Y）＝E₀（X²-Y²）（Ⅰ）

上述公式中，E₀为系数，其值与位置无关，由E₀可以是时间函数。

公式（Ⅰ）表示在x、y平面内，等位线为对称正交的双曲线族，因此，如用符合于任意一组双曲线形状的四支金属电极构成等位面，就可以在电极之间得到静电四极场。这种结构由P·H·道森在1980年美国学术出版社出版的“电子与电子物理学进展丛书”补编13B中的《应用带电粒子光学》一书中已予揭示。

但是，由于双曲面金属电极在精密加工和调准方面存在相当的困难，因此，多数商品化的四极场系统均采用圆截面的金属棍结构来作为近似替代，这就是通常所说的“四圆棍”静电四极场系统。这种系统由美国D·R·丹尼森在“真空科学与技术”1971年第8期中揭示。

虽然上述产生静电四极场的结构已经得到广泛的应用，但它们的缺点是十分明显的。由于双曲面或者“四圆棍”都采用凸形电极，因此电极所占的空间远大于工作区。特别在使用“四圆棍”结构时，由于“四圆棍”不是双曲面，因此只能产生“准双曲场”，而不是“完整四极场”，即仅在靠近对称中心的部分，电位分布才近似满足公式（1）所示的关系，而随着座标x、y的增大，电位分布将越来越偏离公式（1）所示的关系。如果用圆形管壳来容纳这四根电极，则工作区直径与管壳直径之比往往要小于1/4。此外，由于这些电极是分立的，电极之间存在空隙，因此，在用玻璃或陶瓷作为管壳时还会受到管壳内壁杂散电荷形成电位的影响。

本发明系根据理论计算来求得产生完整静电四极场的方法和具体结构。这种结构采用高阻材料作为本体构成封闭边界，在一定条件下，沿此边界的电位将随其几何位置作连续变化，以此得到完整的四极场。

利用本发明的四极场结构与普通的双曲面或者四圆棍式结构相比，具有以下几方面优点：首先是本发明封闭曲面内的空间中任何一点都严格满足静电四极场的基本关系，因此边界内部可以全部用来作为工作区，这样工作区的比例就远超过普通的双曲面或者四圆棍式结构;其次是边界截面简单、加工精度要求较低，且较易加工和装配;再次是本发明由于边界封闭，电场完全不受外壳引起的杂散电位的影响。

本发明的基本原理可以简述如下：

将公式（1）改写成极座标形式：

无空间电荷的静电场应满足拉普拉斯方程，即：

（3）

以公式（2）代入公式（3），其通解为：

（4）

上述公式中A₀、An和Bn为相应的系数，因此，完整四极场的边界电位应满足公式（4）的关系。

由此可以设想，产生静电四极场的方法可以是用规定电阻率的材料构成封闭边界，在其边界上加上电位，则沿此边界的电位将随位置作连续变化，如边界电位的变化在特定边界条件下满足公式（4），则边界内部即为完整静电四极场。

为了对各边界的静电四极场作进一步详细的说明，现先对附图作一简要的说明：

图1为圆形边界完整四极场示意图;

图2为正方形边界完整四极场示意图。

图3为矩形边界完整四极场示意图;

图4为产生完整四极场正方形边界结构的截面示意图;

图5为产生完整四极场矩形边界结构的截面示意图;

图6为边界内表面为圆形、外表面为满足一定函数关系，产生完整四极场的示意图;

图7为边界内表面为圆形结构的截面示意图;

图8为单极场正方形边界结构的截面示意图;

图9为阵列式质谱分析器示意图。

根据上述通解，圆形边界、正方形边界和矩形边界的完整四极场的理论推导分别为：

对于圆形边界完整四极场：

设圆半径为R，边界圆周电位随位置按cos2θ作连续变化，则公式（4）中除A₁＝E₀/R²外，其余各系数均为零，于是公式（4）就变成：