專利名稱:一種利用封閉邊界產(chǎn)生靜電四極場(chǎng)的方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
本發(fā)明屬于電子光學(xué)及儀器分析領(lǐng)域。
靜電四極場(chǎng)的基本特征是電場(chǎng)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(chǎng)的最簡(jiǎn)單形式是電位V滿足下式所示的分布V(X、Y)＝E.(X2-Y2) (1)上述公式中，Eo為系數(shù)，其值與位置無(wú)關(guān)，但E?？梢允菚r(shí)間函數(shù)。
公式(1)表示在X、Y平面內(nèi)，等位線為對(duì)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(chǎng)。
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(chǎng)系統(tǒng)均采用圓截面的金屬棍結(jié)構(gòu)來(lái)作為近似替代，這就是通常所說(shuō)的“四圓棍”靜電四極場(chǎng)系統(tǒng)。
雖然上述產(chǎn)生靜電四極場(chǎng)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(shí)，由于“四圓棍”不是雙曲面，因此只能產(chǎn)生“準(zhǔn)雙曲場(chǎng)”，而不是“完整四極場(chǎng)”，即僅在靠近對(duì)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(lái)越偏離公式(1)所示的關(guān)系。如果用圓形管殼來(lái)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(shí)還會(huì)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(lái)求得產(chǎn)生完整靜電四極場(chǎng)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(chǎng)。
利用本發(fā)明的四極場(chǎng)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(chǎng)的基本關(guān)系，因此邊界內(nèi)部可以全部用來(lái)作為工作區(qū)，這樣工作區(qū)的比例就遠(yuǎn)超過(guò)普通的雙曲面或者四圓棍式結(jié)構(gòu)，其次是邊界截面簡(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)述如下將公式(1)改寫成極座標(biāo)形式V(ρ、v)＝E.(ρ2COS2v-ρ2sin2v)＝E.ρ2cos2v(2)無(wú)空間電荷的靜電場(chǎng)應(yīng)滿足拉普拉斯方程，即
2v＝0 (3)以公式(2)代入公式(3)，其通解為V(ρ、v)＝
(Ancosnv+Bnsinnv)ρn(4)n＝1上述公式中A。An和Bn為相應(yīng)的系數(shù)。因此，完整四極場(chǎng)的邊界電位應(yīng)滿足公式(4)的關(guān)系。
為了對(duì)各種邊界的靜電四極場(chǎng)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，現(xiàn)先對(duì)附圖作一簡(jiǎn)要的說(shuō)明圖1為圓形邊界完整四極場(chǎng)示意圖;
圖2為正方形邊界完整四極場(chǎng)示意圖;
圖3為矩形邊界完整四極場(chǎng)示意圖;
圖4為產(chǎn)生完整四極場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的理論推導(dǎo)分別為對(duì)于圓形邊界完整四極場(chǎng)設(shè)圓半徑為R，邊界圓周電位隨位置按cos2v作連續(xù)變化，則公式(4)中除A2＝
外，其余各系數(shù)均為零，于是公式(4)就變成V(ρ、v)＝Eo( (ρ)/(R) )2cos2v (5)公式(5)即為公式(2)的形式。由此可見(jiàn)，對(duì)于圓截面的空間，如果邊界1的電位3隨位置按cos2v作連續(xù)變化，則場(chǎng)界所圍的區(qū)域2為完整四極場(chǎng)，如圖1所示。
對(duì)于正方形邊界完整四極場(chǎng)設(shè)在圖1中切割一正方形面積，如圖2所示，考慮到對(duì)稱性、僅畫出 1/8 塊。此處BM垂直于OA，如將公式(5)用直角座標(biāo)系來(lái)表示，則公式(5)變成V(X、Y)＝
(X2-y2) (6)進(jìn)一步推得在邊界OM上(O≤X≤ (R)/(2′) ，y＝X);V＝0 (7)在邊界MB上( (R)/2 ≤X≤R，y＝R-X);V＝Eo( (2X)/(R) -1)(8)
公式(8)表明在邊界MB上電位隨X作線性變化。從對(duì)稱性可知，具有正方形截面的空間，如果每一條邊界電位都分別隨位置作線性變化，則邊界所圍空間也是完整靜電四極場(chǎng)。
對(duì)于矩形邊界完整靜電四極場(chǎng)如圖3所示，在xoy座標(biāo)系中，
2V(X、y)＝0 (9)每條邊界電位隨位置作線性變化的邊界條件為V｜X＝ (b)/2 ＝ (2φ)/(a) y;V｜X＝ (-b)/2 ＝- (2φ)/(a) y;(10)V｜y＝ (a)/2 ＝ (2φ)/(b) X;V｜y＝ (-a)/2 ＝- (2φ)/(b) X;
滿足公式(9)及公式(10)的唯一解為V(X、y)＝ (4φ)/(ab) Xy (11)現(xiàn)考慮把座標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng) (π)/4 ，則在X′oy′座標(biāo)系中V(X′、y′)＝C(X12-y12) (12)上述公式中C為任意常數(shù)。由于X＝X′cos (π)/4 +y′sin (π)/4 (13)y＝X′cos (π)/4 +y′sin (π)/4從公式(11)和公式(12)可以得出C＝ (2φ)/(ab) (14)因此，可以得出V(X′、y′)＝ (2φ)/(ab) (X12-y12) (15)這樣公式(15)就滿足了公式(1)所示的完整四極場(chǎng)的基本關(guān)系式，但它得到的等電位線不是正交的雙曲線族。
從工藝上來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)上述原理以產(chǎn)生靜電四極場(chǎng)的關(guān)鍵在于如何得到連續(xù)變電位的封閉邊界。顯然，上述的邊界不能用金屬來(lái)作為電極表面，而需要采用特殊的材料和設(shè)計(jì)。
本發(fā)明所述的連續(xù)變電位的邊界是屬于電位器類型。對(duì)于電位隨位置作線性變化的正方形或矩形邊界，可以選用下列兩種方法之一一是用均勻性好的高阻材料(電阻率為103～108歐姆·厘米，如“金屬陶瓷”做成厚度相同的本體作為邊界4、6;二是用真空蒸發(fā)或?yàn)R射法均勻地涂敷一層高阻材料(如鉻硅或碳)在絕緣基板上作為邊界4、6。然后在邊界4、6的四角，電極5、7上依次加上電位+φ、-φ、+φ、-φ，即構(gòu)成正方形或矩形的完整四極場(chǎng)，如圖4、圖5所示。
電位隨位置作cos2v變化的圓形邊界比較復(fù)雜，需要特殊設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種變厚度的圓環(huán)來(lái)得到所需的電位函數(shù)。
圖6表示邊界材料的截面(根據(jù)對(duì)稱性質(zhì)，此處僅畫出 1/8 塊)，上述截面的內(nèi)壁(即邊界)AB是圓弧，半徑取歸一化值，即ρ＝R＝1。
設(shè)v＝0處(BC面)的電位為1伏，v＝ (π)/4 處(AD面)的電位為0伏。要求得到外壁(CD)的曲線函數(shù)f，(ρ，v)，使AB上各點(diǎn)的電位隨位置作cos2v連續(xù)變化。
設(shè)U(ρ、v)為區(qū)域ABCD內(nèi)任意一點(diǎn)的電位，U同樣滿足拉普拉斯方程，即
2U＝0 (11)考慮到上述邊界條件，即ρ＝1時(shí)，U(1，v)＝cos2v (12)
則公式(11)的唯一解為U＝ 1/2 (ρ2+ 1/(ρ2) )cos2v (14)由于在f(ρ、θ)曲線上U的法向?qū)?shù) (αU)/(αn) 也應(yīng)為零，即在ρ＞1的區(qū)域里Uρ+Uv( (-ρ′)/(ρ2) )＝0 (15)此處ρ′是對(duì)v的一次微商，從公式(14)和公式(15)可以得出sin2v＝K (ρ2)/(ρ4-1) (16)其中K為常數(shù)，可由θ＝ (π)/4 時(shí)的ρ值為確定。
設(shè)v＝ (π)/4 時(shí);ρ＝α＞1，則K＝ (α4-1)/(α2) ，于是公式(16)可以寫成sin2v＝ (α4-1)/(α2) ( (ρ2)/(ρ4-1) ) (17)這就是曲線f1(ρ、θ)的形式。它的形狀大體如圖6中的虛線DC所示。然而應(yīng)當(dāng)指出，在v＝0時(shí)的條件是不能滿足加工工藝要求的，C因?yàn)樵趘＝0時(shí)，從公式(17)可以得知ρ(v)→∞;而且從公式(14)可以得知在v＝0時(shí)沿直線BC(ρ＞1)上的電位要按下述公式進(jìn)行變化U＝ 1/2 (ρ2+ 1/(ρ2) ) (18)這實(shí)際上也是不可能的。因此我們進(jìn)一步以B點(diǎn)(v＝0，ρ＝1)作為端點(diǎn)，尋求一條U＝1伏的等位線f2(ρ，v)。
從公式(14)可以得出
1＝ 1/2 (ρ2+ 1/(ρ2) )Cos2v或ρ2＝Sec2v+tg2v (19)上述公式即為所需的f2(ρ、v)的形式。于是高阻材料的截面形狀可以如圖6中的陰影部分ABED所示，此處E為f1(ρ、v)和f2(ρ、v)的交點(diǎn)，BE之間的形狀由公式(19)決定。
為此，就可以得到如圖7所示的截面設(shè)計(jì)，四個(gè)象限對(duì)稱，圖中陰影部分8為適當(dāng)?shù)母咦璨牧?，例如可以用電阻率?05～108歐姆厘米的類人造云母;上述截面外邊界的形狀應(yīng)滿足公式(17)，黑色部分為金屬電極9，上述金屬電極9與上述高阻材料8相交面應(yīng)滿足公式(19)。在電極9上依次加上+φ、-φ、+φ、-φ的電位后就能在上述截面的內(nèi)表面圓周上產(chǎn)生按cos2v變化的電位，從而上述邊界所包圍的空間內(nèi)得到完整的四極場(chǎng)。
本發(fā)明還涉及其它兩種結(jié)構(gòu)，即正方形單極場(chǎng)和陣列式四極質(zhì)譜分析器。
關(guān)于正方形單極場(chǎng)用直角金屬板10上旋轉(zhuǎn)一塊涂有高阻薄膜的直角絕緣體11，尾端相連。在薄膜彎角處12加電位φ，金屬板接地，如圖8所示。由于金屬鏡像的關(guān)系，這個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于正方形邊界的四極場(chǎng)。上述結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單。
關(guān)于陣列式四極質(zhì)譜分析器用高氧化鋁陶瓷或微晶玻璃作為本體，構(gòu)成按某種圖形排列的正方形孔13，這樣每一正方形孔就相當(dāng)于上述正方形邊界四極場(chǎng)，然后用蒸發(fā)或?yàn)R射方法涂敷一層均勻厚度的高阻薄膜，再分別加上電極就構(gòu)成陣列式質(zhì)譜分析器。上述結(jié)構(gòu)之一如圖9所示，這種結(jié)構(gòu)可以用于角分辨離子譜儀。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于質(zhì)譜儀、次級(jí)離子質(zhì)譜儀、寬帶示波管電子槍及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電子光學(xué)系統(tǒng)的消象散透鏡、高能粒子束強(qiáng)聚焦以及制備用于核反應(yīng)的富集同位素薄靶等。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生靜電四極場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征是上述結(jié)構(gòu)的邊界為封閉的，上述邊界由均勻厚度或厚度呈連續(xù)變化的高阻材料及電極構(gòu)成，上述邊界上的電位隨位置作連續(xù)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述，上述靜電四極場(chǎng)邊界材料截面的內(nèi)表面為圓形，上述邊界材料截面的厚度呈連續(xù)變化，上述邊界材料的外表面為四個(gè)象限對(duì)稱，上述圓形內(nèi)表面上的電位隨位置按COS2θ的規(guī)律作連續(xù)變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述，上述靜電四極場(chǎng)的邊界為正方形，上述邊界由均勻厚度的材料或薄膜構(gòu)成，上述正方形的四條邊上的電位分別隨位置作線性變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述，上述靜電四極場(chǎng)的邊界為矩形，上述邊界由均勻厚度的材料或薄膜構(gòu)成，上述矩形的四條邊上的電位分別隨位置作線性變化，在垂直于Z軸的X、Y平面內(nèi)，上述結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等電位線為非正交的雙曲線族。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述，上述的靜電四極場(chǎng)的邊界為正方形，上述正方形邊界由直角導(dǎo)體板上旋轉(zhuǎn)一塊涂有均勻厚度的高阻薄膜的直角絕緣體組成，上述正方形邊界上只有一個(gè)電極，上述電極設(shè)在上述薄膜的彎角處。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1或3所述，上述靜電四極場(chǎng)的邊界為正方形，上述正方形的四條邊上的電位分別隨位置作線性變化，由一個(gè)以上上述正方形邊界結(jié)構(gòu)組成陣列式靜電四極場(chǎng)。
專利摘要
目前大多數(shù)商品化的靜電四極場(chǎng)系統(tǒng)均采用圓截面的金屬電極結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)加工較為復(fù)雜，且只能在靠近對(duì)稱中心的很小區(qū)域里產(chǎn)生完整四極場(chǎng)；此外，電極之間存在空隙，在用玻璃或陶瓷作為管殼時(shí)會(huì)受到管殼內(nèi)壁雜散電荷形成電位的影響。本發(fā)明根據(jù)理論計(jì)算求得產(chǎn)生完整靜電四極場(chǎng)的方法和用均勻厚度或厚度呈連續(xù)變化的高阻材料構(gòu)成封閉邊界的結(jié)構(gòu)，其電位隨位置作連續(xù)變化，以產(chǎn)生各種形式的完整靜電四極場(chǎng)。這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以廣泛應(yīng)用于電子光學(xué)系統(tǒng)及各種儀器設(shè)備中。
文檔編號(hào)H01J3/18GK85102774SQ85102774
公開(kāi)日1986年6月10日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者華中一, 王陽(yáng), 范承善, 谷超豪 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan