[其他]利用封閉邊界產(chǎn)生靜電四極場的結(jié)構(gòu)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 85102774
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85102774B
• 公開（公告）日: 1987-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 華中一;王陽;范承善;谷超豪
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: H01J49/42
• 分類號: H01J49/42;G01N27/62
• 代理公司: 上海專利事務(wù)所
• 代理人: 須一平

本發(fā)明屬于電子光學(xué)及儀器分析領(lǐng)域。

靜電四極場的基本特征是：電場強(qiáng)度與位置呈線性關(guān)系。在直角座標(biāo)系統(tǒng)中，垂直于z軸的x、y平面內(nèi)，靜電四極場的最簡單形式是電位v滿足下式所示的分式：（見表）

V（X、Y）＝E₀（X²-Y²）（Ⅰ）

上述公式中，E₀為系數(shù)，其值與位置無關(guān)，由E₀可以是時間函數(shù)。

公式（Ⅰ）表示在x、y平面內(nèi)，等位線為對稱正交的雙曲線族，因此，如用符合于任意一組雙曲線形狀的四支金屬電極構(gòu)成等位面，就可以在電極之間得到靜電四極場。這種結(jié)構(gòu)由P·H·道森在1980年美國學(xué)術(shù)出版社出版的“電子與電子物理學(xué)進(jìn)展叢書”補(bǔ)編13B中的《應(yīng)用帶電粒子光學(xué)》一書中已予揭示。

但是，由于雙曲面金屬電極在精密加工和調(diào)準(zhǔn)方面存在相當(dāng)?shù)睦щy，因此，多數(shù)商品化的四極場系統(tǒng)均采用圓截面的金屬棍結(jié)構(gòu)來作為近似替代，這就是通常所說的“四圓棍”靜電四極場系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由美國D·R·丹尼森在“真空科學(xué)與技術(shù)”1971年第8期中揭示。

雖然上述產(chǎn)生靜電四極場的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但它們的缺點(diǎn)是十分明顯的。由于雙曲面或者“四圓棍”都采用凸形電極，因此電極所占的空間遠(yuǎn)大于工作區(qū)。特別在使用“四圓棍”結(jié)構(gòu)時，由于“四圓棍”不是雙曲面，因此只能產(chǎn)生“準(zhǔn)雙曲場”，而不是“完整四極場”，即僅在靠近對稱中心的部分，電位分布才近似滿足公式（1）所示的關(guān)系，而隨著座標(biāo)x、y的增大，電位分布將越來越偏離公式（1）所示的關(guān)系。如果用圓形管殼來容納這四根電極，則工作區(qū)直徑與管殼直徑之比往往要小于1/4。此外，由于這些電極是分立的，電極之間存在空隙，因此，在用玻璃或陶瓷作為管殼時還會受到管殼內(nèi)壁雜散電荷形成電位的影響。

本發(fā)明系根據(jù)理論計(jì)算來求得產(chǎn)生完整靜電四極場的方法和具體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用高阻材料作為本體構(gòu)成封閉邊界，在一定條件下，沿此邊界的電位將隨其幾何位置作連續(xù)變化，以此得到完整的四極場。

利用本發(fā)明的四極場結(jié)構(gòu)與普通的雙曲面或者四圓棍式結(jié)構(gòu)相比，具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：首先是本發(fā)明封閉曲面內(nèi)的空間中任何一點(diǎn)都嚴(yán)格滿足靜電四極場的基本關(guān)系，因此邊界內(nèi)部可以全部用來作為工作區(qū)，這樣工作區(qū)的比例就遠(yuǎn)超過普通的雙曲面或者四圓棍式結(jié)構(gòu);其次是邊界截面簡單、加工精度要求較低，且較易加工和裝配;再次是本發(fā)明由于邊界封閉，電場完全不受外殼引起的雜散電位的影響。

本發(fā)明的基本原理可以簡述如下：

將公式（1）改寫成極座標(biāo)形式：

無空間電荷的靜電場應(yīng)滿足拉普拉斯方程，即：

（3）

以公式（2）代入公式（3），其通解為：

（4）

上述公式中A₀、An和Bn為相應(yīng)的系數(shù)，因此，完整四極場的邊界電位應(yīng)滿足公式（4）的關(guān)系。

由此可以設(shè)想，產(chǎn)生靜電四極場的方法可以是用規(guī)定電阻率的材料構(gòu)成封閉邊界，在其邊界上加上電位，則沿此邊界的電位將隨位置作連續(xù)變化，如邊界電位的變化在特定邊界條件下滿足公式（4），則邊界內(nèi)部即為完整靜電四極場。

為了對各邊界的靜電四極場作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，現(xiàn)先對附圖作一簡要的說明：

圖1為圓形邊界完整四極場示意圖;

圖2為正方形邊界完整四極場示意圖。

圖3為矩形邊界完整四極場示意圖;

圖4為產(chǎn)生完整四極場正方形邊界結(jié)構(gòu)的截面示意圖;

圖5為產(chǎn)生完整四極場矩形邊界結(jié)構(gòu)的截面示意圖;

圖6為邊界內(nèi)表面為圓形、外表面為滿足一定函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)生完整四極場的示意圖;

圖7為邊界內(nèi)表面為圓形結(jié)構(gòu)的截面示意圖;

圖8為單極場正方形邊界結(jié)構(gòu)的截面示意圖;

圖9為陣列式質(zhì)譜分析器示意圖。

根據(jù)上述通解，圓形邊界、正方形邊界和矩形邊界的完整四極場的理論推導(dǎo)分別為：

對于圓形邊界完整四極場：

設(shè)圓半徑為R，邊界圓周電位隨位置按cos2θ作連續(xù)變化，則公式（4）中除A₁＝E₀/R²外，其余各系數(shù)均為零，于是公式（4）就變成：