Quadrupolmassenfilter

Quadrupolmassenfilter,

 

auf der elektrischen Quadrupollinse basierendes, als Massenspektrometer (Massenspektrograph) verwendbares Massenfilter. Werden bei einer elektrischen Quadrupollinse durch die Scheitellinien der gegenüberliegenden Elektroden (Pole) die xy- und die yz-Ebenen eines kartesischen Koordinatensystems festgelegt (Strahlrichtung als positive y-Richtung), dann ist bei Anliegen einer Spannung Φ₀ an den Elektroden das elektrische Potenzial in der xz-Ebene Φ (x, z) = Φ₀ (x² — z²) / 2r²; dabei ist 2r der Scheitelabstand der Elektroden. Die Quadrupollinse wird zum Quadrupolmassenfilter, wenn statt der Gleichspannung Φ₀ eine Wechselspannung Φ₀ (t) = U + V cos ωt (U Gleichspannungsanteil, V Wechselspannungsamplitude, ω Kreisfrequenz) angelegt wird. Die daraus folgenden Bewegungsgleichungen für Teilchen (z. B. Ionen) mit der elektrischen Ladung e und der Masse m sind spezielle Differenzialgleichungen, deren Parameter a = 4eU / mr²ω² und q = 2eV / mr²ω² maßgebend dafür sind, ob die einer Lösung entsprechende Bewegung stabil oder instabil ist. Bei stabiler Bewegung schwingen die Teilchen in der xz-Ebene mit begrenzter Amplitude und durchqueren das Quadrupolmassenfilter, ohne an die Elektroden zu stoßen, während bei instabiler Bewegung die Amplitude exponentiell wächst und die Teilchen verloren gehen. Für feste Werte von r, ω, U und V haben alle Ionen mit demselben Verhältnis m / e denselben Arbeitspunkt im Stabilitätsdiagramm des Quadrupolmassenfilters. Für a = 0 ist die Bewegung für alle Massen stabil, die größer als eine bestimmte Mindestmasse sind. Mit steigender Gleichspannung U wird der stabile Massenbereich Δm immer kleiner und schließlich null, bevor die Bewegung instabil wird. Durch gleichzeitige und proportionale Änderung von U und V derart, dass a / q konstant bleibt, kann man nacheinander Ionen verschiedener Masse in den Stabilitätsbereich bringen und so das Massenspektrum durchlaufen; in dieser Weise wirkt das Quadrupolmassenfilter als Massenspektrometer. - Das Quadrupolmassenfilter wurde 1953 von W. Paul und H. Steinwedel entwickelt. Es wird z. B. in der Vakuumtechnik zur Restgasanalyse eingesetzt.