在相关技术中，通过由杆状电极形成的电子多极场形成的横向力，在真空或缓冲气体中输送带电粒子，其中，所述杆状电极是平行并环绕粒子束布置的。这类场可以是DC-场(即，恒定直流电场)或者RF-场(即，迅速改变的高频场)。这类场对于要求在没有强度损失的情况下，在相当长的距离范围内输送带电粒子的许多用途而言是十分重要的。通常，这些用途的特征在于在输送区域中缓冲气体的压力或者在真空下残余气体的压力。
相关技术的粒子输送线路表包括：
1.在缓冲气体具有几毫巴～几巴的区域中输送带电粒子。如在[G.Eiceman，“Ion Mobility Spectrometry”，CRC-Press，Boca Raton，2006]中所描述的那样，可以在该区域中安装：
1.1离子-运动谱仪(IMS)或
1.2也被称为FAIMS的差异流动谱仪(DMS)
2.带电粒子在缓冲气体具有μ巴以下～几m巴压力的区域中的输送。在该区域中可以安装：
2.1射束冷却器，其中，离子与缓冲气体的原子或分子相碰撞并且在该过程中，对它们分配动能。因此，将会使离子“冷却”并且将会减小离子束占据的相位空间。
2.2通过与缓冲气体的原子或分子的碰撞使分子离子破裂成碎片的“碰撞单元”。
2.3可以将离子从高压区域输送至低压区域或者反之也一样的“输送线”。
3.带电粒子在残余气体压力低于大约1μ巴的区域中的输送。在该区域中，可以安装
3.1如在粒子加速器或粒子束导引系统中的射束输送渠道，或者
3.2由扇形场、RF-四极或能量-同步飞行时间系统形成的质谱仪[P.H.Dawson，“Quadrupole Mass Spectrometry and its Application”，Eleevier，Amsterdam，1976]
在上述例子中，重要的是：基本上所有(或至少一大部分)起初存在的带电粒子会到达输送线的结尾处。在相关技术中，其可通过使用一个或多个能够随着曲线状射束轴线Z，沿输送线反复再次聚集带电粒子的透镜来实现。
假定笛卡儿X，Y坐标垂直于该射束轴线，可以将转动对称电子或磁透镜用于同时沿X-和Y-方向朝射束轴线聚集带电粒子。但是，也可以优选将磁或电子四极透镜(即4-极)用于沿X-或Y-方向聚集带电粒子，并且也可沿另一方向使它们散焦，如在[H.Wollnik，“Optics of Chargedparticles”，Acad.Press，Orlando，1987]中所描述的那样。
在某些情况下，可以使用磁或电子六极或八极(即，6-极或8-极)，它们能够表现出朝射束轴线驱动带电粒子或驱动带电粒子远离射束轴线的非线性力。在所有的4-，6-或8-极(通常称为多极)装置中，在带电粒子上的总体作用应确保能够沿X-和Y-方向、朝射束轴线驱动带电粒子。由于带电粒子在每一多极中需承受朝向而不是远离射束轴线的总体更大的力，因此，会发生这种总体作用。其原因在于：在它们通过多极时，这些力会随离开轴线的距离而增大，并且，由于在粒子承受朝向射束轴线的力时，射束直径始终较大，同时，在粒子承受离开射束轴线的力时，射束直径较小。
虽然能够通过分离的较短4-，6-或8-极装置有效地输送多束带电粒子，但是，如果将高频RF-电势施加至其电极上，也可以使用较长的单体装置[P.H.Dawson，“Quadrupole Mass Spectrometry and its Application”，ElseviserAmsterdam1976]。在这种情况下，离子在通过RF-多极期间，会承受相似的聚集和分散力。
在相关技术中，通过平行并绕离子束轴线、以相等的方位间距Δθ＝π/N设置的2N＝4，6，8…杆状电极形成电子多极，在这种情况下，可对偶数电极施加电势+VN0，而对奇数电极施加电势-VN0。大多数的通用多极为2N＝4而结构形状如图1所示的四极，其特征在于：以π/2的方位间距绕直径2G0的孔布置的4个电极。
在圆柱形R，θ，Z-坐标中，在2N-极中的电势VN(R，θ)独立于Z，并且，可被描述为：
VN(R，θ)＝VN0(R/G0)N*cos[N(θ-Φ)]            (1)
此处，θ为绕Z-轴线的方位角度，Φ为已使2N电极的布置相对于θ＝0平面(即图1中的XZ-平面)转动的方位角度。但是，在使用具有有限形状公差的实际电极时，公式(1)的正确电势分布通常仅是近似的。
就具有N＝2的传统电子2N-极而言，如图1所示，通过对在θ-Φ＝0，π/2，π，3π/4处具有顶峰的电极施加电势+V20，-V20，+V20，-V20，并且，θ为方位角度，从而使公式(1)的电势分布V2(R，θ-Φ)达到近似。为了正确表示公式(1)的V2(R，θ-Φ)，电极沿XY-平面必须是双曲线状的。由于电极的对称性，因此，对于Φ＝0和Φ＝π/4的情况，电势分布V(R，θ-Φ)具有4-重对称性，并且，Φ为已使电极的布置相对于θ＝0转动的角度，如图1所示。所述电势沿图1中的虚线消失，而场E2＝gradV2(G0)沿所谓直径为2G0的孔圆是恒定的。因此，在带电粒子上的合力沿该圆具有恒定的量值，但是会改变方向，如图1中小箭头所示。

本发明的说明性实施例涉及这样一种系统，其用于沿大致连续的射束轴线导引离子束通过对所述离子束中的离子施加力的至少一个场，所述系统包括：至少一个区段部分，该区段部分包括具有上侧平板和下侧平板的大致平的板-多极(plate-multipole)，其中，所述力相对于包括射束轴线的平面、沿平行方向大致对称而沿垂直方向大致是非对称的，上侧平板和下侧平板中的每一块板均包括多个具有对应电势的第一电极条，第一电极条能够产生所述至少一个场的至少一部分，其中，散射场的边界位于至少一个区段部分的每一端处，并且，第一电极条为大致薄而扁平状的。
在所述系统中，上侧平板和下侧平板在所述至少一个区段部分中，一个大致平行于所述平面，另一个则大致倾斜于所述平面，在该处，上侧平板和下侧平板的推定交叉线大致垂直于离子束轴线。
在所述系统中，至少一个区段部分包括至少一个直线状区段部分和在平面内呈弧形的弧形区段部分，至少一个区段部分的直线状区段部分包括平行于离子束轴线的第一电极条的大致四边形部分，至少一个区段部分的弧形区段部分包括与离子束轴线相距大致恒定距离的第一电极条的大致弧形部分。
在所述系统中，在至少一个区段部分处的离子束轴线至少为直线状、弧形以及曲线状中的一种。
在所述系统中，每一个第一电极条均具有至少一个(a)直线状边缘以及(b)曲线边缘，对于每一个第一电极条而言，与离子束轴线大致垂直的宽度小于沿离子束轴线的长度。另外，第一电极条的长度和偏移角度中的一个相对于至少一个相邻的第一电极条是相等的。另外，第一电极条的长度和偏移角度中的一个相对于至少一个相邻的第一电极条是不等的，并且，随它们距离离子束轴线的相应距离以线性或非线性变化。
在所述系统中，至少一个第一电极条的宽度沿离子束轴线增大。另外，第一电极条的宽度相对于上侧平板与下侧平板之间的距离之比沿离子束轴线是恒定或可以变化的。另外，以一段时间对至少两个第一电极条施加电势，以便沿离子束轴线形成场。
在所述系统中，至少一个第一电极条的宽度沿离子束轴线增大和减小，以便该宽度在中间部分达到最大。
在所述系统中，第一电极条的宽度离离子束的距离越远，就越大。
在所述系统中，第一电极条的中央的一个电极条的宽度等于或大于相邻的第一电极条的宽度。
在所述系统中，朝已作用了较大离子吸引电势一段时间的上侧平板和下侧平板中的一块板以及其中的孔导引离子，以便允许离子的至少一部分射出。
在所述系统中，以一段时期，通过施加至第一电极条上的不同电势沿平面导引离子，以形成平行所述平面的场。
所述系统还包括：在第一表面和第二表面处大致垂直于所述平面设置的多个第二电极条，其中，第二电极条是大致薄而扁平状的。在所述系统中，第二电极条是(a)大致四边形或(b)大致弧形的，并且，距离离子束轴线具有恒定的最小间距。另外，第二电极条的宽度离所述平面的距离越远，就越大。另外，第二电极条的中央的至少一个电极条的宽度沿离子束轴线增大。另外，至少一个第二电极条的宽度沿离子束轴线增大和减小，以便该宽度在中央部分达到最大。并且，朝对第二电极条已作用较大离子吸引电势一段时间的第一表面和第二表面中的一个表面以及在第一表面和第二表面中的孔导引离子，以便允许离子的至少一部分射出。同样，在所述系统中，在真空离子输送系统中，将板-多极用于低压缓冲气体中的离子束输送，在所述真空离子输送系统中，残余气体的压力应低至离子能够基本上经受最小的离子-原子或离子-分子碰撞，其中，形成RF多极场以及DC多极场，以便能够提供质谱分析能力，并且，第一表面与第二表面之间的距离远远小于上侧平板与下侧平板之间的距离。另外，在所述系统中，对每一个第二电极条施加(a)大致恒定电势和(b)大致正弦电势中的至少一种电势。另外，在所述系统中，对每一第二电极条施加(a)大致恒定电势和(b)矩形切换电势中的至少一种电势。至少一个RF电势也包括作用于第二电极条中一个电极条上的至少一个频率，每一至少一个频率均能够以至少一个振幅和相位彼此相对变化。
在所述系统中，至少一个电极条包括导电材料以及具有导电表面的材料中的一种，以便沿每一电极条的电势是大致恒定的。
在所述系统中，第一电极条形成多组一根或多根金属线。
在所述系统中，第一电极条包括在相应的绝缘或略微导电的基板上的由导电材料制成的补钉，并且，形成印刷电路板。另外，所述补钉以小于或等于任意一个第一电极条的厚度的区域分离。另外，设置导电层，该导电层的结构在作用RF电势时，能够屏蔽由补钉形成的高频场。
在所述系统中，至少一个RF电势包括至少一个作用于一个第一电极条上的频率，并且，每一至少一个频率均能够以振幅和相位中的至少一个彼此相对变化。
在所述系统中，对于至少一个区段部分而言，至少通过独立于其它多极场的频率调制偶极场。
在所述系统中，(a)大致恒定的电势以及(b)正弦电势中的至少一个作用于每一第一电极条上。
在所述系统中，对每一第一电极条施加(a)大致恒定电势和(b)矩形切换电势中的至少一种电势。
在所述系统中，第一电极条的外侧电极条处于公共电势，而第一电极条的非中心内侧电极条具有远远大于公共电势的电势，并且，第一电极条的中央的一个电极条具有远远小于第一电极条的内侧电极条的电势。
在所述系统中，板-多极用于在离子运动谱仪(IMS)或差异流动谱仪(DMS)中，朝几巴～1m巴以下的高压缓冲气体中的平面聚集的离子束，当离子沿离子轴线运动时，通过板-多极提供RF多极场和DC多极场。
在所述系统中，板-多极用于在射束冷却器中，在大约1m巴至1μ巴以下的中等压力缓冲气体中输送的离子束，在冷却器中，离子在离子-原子或离子-分子碰撞中失去能量以便减小离子束的相位空间，其中，当离子沿离子束轴线运动时，在板-多极处提供RF-多极场。
在所述系统中，板-多极用于在碰撞腔室中，在大约1m巴至1μ巴以下的中等压力缓冲气体中输送的离子束，其中，分子在离子-原子或离子-分子的碰撞中分裂并且提取分裂的离子。
在所述系统中，板-多极用于在真空离子输送系统中，离子束在低压缓冲气体中的输送，在真空离子输送系统中，残余气体压力应低至离子经受大致最小的离子-原子或离子-分子碰撞，并且，形成RF多极场和DC多极场以便提供质谱分析能力。
在所述系统中，通过处于相对于离子束轴线排斥离子的电势下的大致矩形的可转动狭缝型电极或格栅来限制板-多极的场，以便在线性四极离子陷阱中陷获板-多极内侧的离子，并且，形成R多极场和DC多极场以便提供质谱分析能力。
附图说明
通过参照附图描述本发明的某些实施例，将更进一步理解说明性实施例的上述情况和特点。
图1显示了相关技术的电子4-极的电极轮廓，所述电子4-极带有在θ-Φ＝0，π/2，π，3π/4处具有顶峰的杆型电极并且θ为方位角。在例子A中，这种电极结构如图所示，为Φ＝0，而在例子B中，Φ＝π/4。
图2显示了布置在间距2G0的两块平行板上的长度为L的扁平且较薄的第一电极条的说明性实施例。若不同的电极条以它们的宽度W1，W2，W3，W4，W5的中心X，Y的位置为特征并且对这些电极条施加了与在具有杆型电极的多极相关技术中在位置X，Y处发现的电势大致相等的电势，则将获得相似的多极电势分布。
图3显示了布置在图2中间距2G0的两块平行板上的扁平且较薄的第一电极条的说明性实施例。在此处所示的例子中，如果射束轴线Z为具有偏移角Φ的半径ρ的圆，则电极条为弧形，因此，所述电极条形成环形区段。不同的电极条的平均长度从左至右：Φ[ρ+(W1/2+W2+W3/2)]，Φ[ρ+(W2+W3)/2]，Φρ，Φ[ρ-(W3+W4)/2]，Φ[ρ-(W3/2-W4-W5/2)]。
图4显示了布置在Yu和Yd处的两块板上的扁平且较薄的第一电极条加上布置在位于Xi，Xr处的两个正交安装的平面上的扁平且较薄的第二电极条的说明性实施例。这种电极条的布置如图所示，A为笔直的离子束轴线Z，而B为弯曲的离子束轴线Z。
图5显示了作为图2的变形的电极条的布置结构的说明性实施例，其显示了布置在两块板上的扁平且较薄的第一电极条，这两块板彼此相对倾斜以便它们的距离2G(Z)会随Z变化。这样能够形成沿Z-坐标变化的多极强度以及在Z-方向的场。
图6显示了本发明的一个说明性实施例，其以图2和图5的电极条的布置结构显示了使用“锥形第一电极条”的两种可能方式，即，随着改变Z位置，锥形第一电极条2，3，4的宽度改变，其能够形成随Z改变的多极场以及沿Z-方向的场，如例子B所示。在例子A中，特定电极条的宽度w(Z)与两块板的距离2G(Z)之比变化，以便也被称为w/G-比的w(Z)/G(Z)基本上独立于Z。
图7显示了通过使用如图6那样的“锥形第一电极条”，在图2或图5的电极条的布置结构中，沿Z-方向提供DC-场的两种可能的方式。在所示的例子中，将电极条布置在两块平行板上，其中，在例子A中，虽然将供给至电极条3的相同RF-和DC-电势也提供给电极条3a，但是，可以对这些电极条增加某些DC-和RF-电势。在例子B中，对于电极条2a，3a和4a而言，可以采用相同的方式。
图8显示了与图7相似的两个系统的说明性实施例，在这种情况下，平而薄的第一电极条具有不同的平均长度，其会形成板-多极的弧形且原则上也是倾斜的进口或出口边界。在例子A中，显示出不同的电极条均具有恒定的宽度以及直线状侧面，而在例子B中，电极条中的四个电极条改变了它们的宽度并且如图所示，它们具有直线状以及弧形的侧面。
图9显示了板-多极的说明性实施例，其作用与图7中所示的板-多极相似，其中，离子沿Z-方向经受力，如果另外对这些中央电极条施加离子吸引电势，则所经受的力会使离子聚集在电极条的所示结构的大致中间。在例子A中，其是通过双梯形中央电极条实现的，而在例子B中，这种双梯形中央电极条的特征在于：能够对系统的中心产生更强力的辅助类似圆形的凸起。在两个例子中还显示了能够大致垂直于上侧或下侧板上的第一电极条提取离子的孔。中央电极条也被显示出沿Z-方向分开，以便在情况A下，在已聚集离子之后的较短时期，能够沿Z-方向形成DC-场。这种情况也可在情况B中实现。在该离子提取之前的某一时刻，可以使离子朝凸起区域的中间运动。
图10显示的说明性实施例为:使平而薄的第一电极条(2，3)在以蚀刻印刷电路板的技术形成的某些绝缘或略微导电的基板(5)上形成金属补钉。在所示的例子中，还提供了电极条的实际结构的接地屏蔽(1，4)。
图11显示了位于板-多极之前或之后的散射场限制器。在例子A中，在板-多极的每一端上均显示了两个这种散射场限制器并且所有的限制器A1，A2，A3，A4均以狭缝型结构形成。在例子B中，在板-多极的每一端上均显示了两个这种散射场限制器并且所有的限制器B1，B2，B3，B4均以框架结构形成。
图12显示了(A)矩形框架型，(B)狭缝型以及(C)圆环型的散射场限制器。如图所示，所有的例子均带有以及不带有也可以由网状格栅代替的金属丝网。
图13显示了四个板-多极A，B，C，D的组合以及相关技术的杆型四极质谱仪，它们均沿相同的直线状Z-轴线布置。在所示的例子中，虽然将杆型四极设置在板-多极D的下游，但是，也可以将其布置在任意两个板-多极之间。虽然如图所示，板-多极均由狭缝型散射场限制器分离，但是，也可以将这些限制器减少至两个板-多极之间的一个，或完全放弃使用，或者将它们改变成其它类型的散射场限制器。其还显示了可以垂直于板-多极D提取离子的情况。
图14显示了除披露了弧形Z-轴线的多极C以外，均以直线状Z-轴线为特征的几个板-多极的组合。该板-多极特别适于作为碰撞单元，在该碰撞单元中，分子离子因离子-原子或者离子-分子碰撞而破碎，如果对电极条施加了适合的RF-和DC-电势，例如可以在板-多极D中对所述碰撞进行质谱分析，以便所述系统能够起到RF-四极过滤器或质谱分析线性离子陷阱的作用。但是，也可以将板-多极D用作能够将离子聚集至其中间并将它们垂直于其上侧板喷射或将离子束输送至杆型四极质谱仪。
图15显示了位于两块平行板Pu和Pd上的5个电极条，这些板沿Z-方向划分成区段。这种结构允许对以某一X-值为特征的所有电极条施加与X有关的DC-和RF-电势并且将与Z有关的RF-和DC-电势加至以特定Z-值为特征的所有电极条的电势。图15还显示了通过通向位于接地板G2u，Glu和G1d，G2d之间的Lu和Ld处的板的导线，将不同的电势输送至不同电极的方法。
图16显示了在沿在Z-方向分段并位于如图15所示的两块平行板Pu和Pd上5个的电极条。但是，在图16中，使工作元件非常接近电极条，以便能够减少必需的RF-功率以及产生的RF-杂散场。这些工作元件如图所示，安装在残余气体压力可以与离子运动的区域中的气体压力不同的机壳中。在某些情况下，可以对该机壳提供水冷Cu和Cd。
图17显示了多个电极条，这些电极条形成应确保：如果将正确的RF-和DC-电势施加在对应的电极上，则这些电极条能够形成单透镜(Einzel-lens)的场。以相同的方式，除了离子镜场(field of an ionmirror)外，还能够形成“浸没透镜”，它们通常仅由转动对称电极形成。

下面，将参照附图对本发明的说明性实施例进行更详细的说明。在以下的说明中，即使在不同的附图中，相同的附图标号也用于表示相同的部件。在说明书中限定的内容(如部件的详细结构和形状)仅仅是为帮助理解本发明而给出的。因此，应理解：无需这些限定内容，仍能实现本发明。同样，由于众所周知的功能结构作为不必要的细节可能会导致本发明难以理解，因此，对它们不做详细说明。
图2显示了本发明的一个说明性实施例，该实施例通过2组5个电极条形成多极电势分布的重合，但是，在许多情况下，更少或更多数量的电极条也是可以的。在以距离2G0分离的平行板上布置多个电极条，以便获得与图1所示的现有技术中四极相同的孔径。如图2所示，在宽度为W1，W2，W3，W4，W5的每一块板上均具有5个电极条，其中，W1和W5大于其它的电极条并且大体能够延伸达到X和-X的非常大的值。另外，在中间平面中标出点1a，2a，3a，4a，5a，以及通过这些点并与Z轴平行的线。但是，可以简化图2中的电极条的布置结构：
·如图所示，使电极条的位置和宽度大致对称于X，并且
·如图所示，不同电极条的宽度在上下板中大致相等，即，它们基本上对称于Y。
但是，如果电极条与X或Y不对称或与X和Y均不对称，则也可以形成板-多极(plate-multipole)(即，彼此大致平行的上侧板和下侧板，每一块板均具有薄而平的电极条)。
虽然可以通过布置在以相等距离G0绕射束轴线以Δθ＝π/N隔离的不同方位位置处的杆型电极得到公式(1)所述的2N-极的电势分布为N≥2，但是，通过在以距离2G0隔离的平行板(也称为“板-多极”)上的薄而平的电极条，可以形成大致相同的分布或至少近似形成大致相同的分布。以高机械精度形成这些平面状板上的电极条，以便能够在仪器彼此间完全复制电势分布。另外，这种电极条的布置结构允许建立2G0非常小的系统并且也能够建立以高精度形成的N＝1的多极，即，偶极。
若在图2中所示的板之间的中间部分形成XZ-平面，则这些板位于Y0＝±G0，电极条的位置以及必须计算公式(1)的点由θ＝artan(G0/X)且R＝G0/sinθ获得，其中，X大致为每一电极条中心的位置。在这种电极条的布置中，通过以±V10增大所有电极条在Y＝±G0处的电势，从而将所提到的精确偶极电势分布(N＝1)加至建立的多极电势分布上。
对于这种电极条的两块板布置而言，最好不用柱面坐标而是用直角坐标X-Y-Z坐标系统来描绘电势VN分布。在这种情况下，必须重写公式(1)：
VN(X，Y)＝(VN0/G0N)[cos(NΦ)*RE(X+iY)N+i*sin(NΦ)*IM(X+iY)N](2)
在图2的板之间的区域中，即对于-G0≤Y≤G0而言，当N＝1，2，3，4...时，发现：
N＝1：V1(X，Y)＝(V10/G0)[X*cos(Φ)-Y*sin(Φ)]                  (3a)
N＝2：V2(X，Y)＝(V20/G02)[(X2-Y2)*cos(2Φ)-(±2XY)*sin(2Φ)]    (3b)
N＝3：V3(X，Y)＝(V30/G03)[(X2-3Y2)X*cos(3Φ)-(3X2-Y2)Y*sin(3Φ)](3c)
N＝4：V4(X，Y)＝(V40/G04)[(X4-6X2Y2+Y4)*cos(4Φ)-(X2-Y2)(±4XY)*sin(4Φ)]
                                                              (3d)
其中，VN0为在直径2G0的圆圈处的最大电势。如果想要形成以Φ＝0为特征的电势分布，则在+X和-X处的电极条上的电势必须大致相等，从而能够确保电极本身对称于X＝0布置。
在以Y＝±G0为特征的两块所述平行板上、以不同的X-值布置大量电极条的情况下，可以如上所述，使用公式(3)(a)-(d)确定电极条的适合电势V(X，±G0)：
N＝1：V1(X，±G0)＝V10{(X/G0)*cos(Φ)-[±sin(Φ)]}             (4a)
N＝2：V2(X，±G0)＝V20{[(X/G0)2-1]cos(2Φ)-(±2X/G0)sin(2Φ)}  (4b)
N＝3：V3(X，±G0)＝V30{(X/G0)[(X/G0)2-3]cos(3Φ)±[1-3(X/G0)2]sin(3Φ)}
                                                             (4c)
N＝4:V4(X，±G0)＝V40{[(X/G0)4-6(X/G0)2+1]cos(4Φ)±(4X/G0)[1-(X/G0)2)]sin(4Φ)}                                                        (4d)
在电极条不以单一X-值为特征而是延伸通过范围X时，由公式(4a)-4(d)确定的电势仅为近似值并且最终获得的电势分布仅仅接近多极电势理想叠加的VN(X，Y)的总和。但是，通过以作为边界条件的电极条的几何形状和电势以数字方式(numerically solving)求解拉普拉斯方程，能够准确地确定对应的电势分布。若以此方式沿图2所示的直径2G0的圆获得电势分布后，由该电势分布的傅立叶分析发现不同多极元件的量级。其原因在于：不同2N-极的量级会如cos[N(θ-Φ)]那样沿该圆变化。通过改变不同电极的电势，能够接近理想的多极叠加。随后，对于不同电极条的不同选择X-宽度而言，可以通过重复该过程反复改善该结果。
虽然在许多情况下，希望Z-轴线(即，离子束的轴线)是直的，但是，仍存在希望该轴线是弧形甚至是圆形的情况。可以通过与图2相似并且在图3中所示的电极条布置结构，其中以弧形(例如但并不是限定性的，可以采用环形)部分代替图2的四边形(例如但并不是限定性的，也可采用矩形或梯形)电极条，形成如[H.Wollnik，“Optics of Charged Particles”，Acad Press，Orlando 1987]中所述的“环形电容器”的对应场。与图2相似，同样在图3中，虽然显示了仅两组5个电极条，但是，在许多情况下，也值得推荐使用更少或更多数量的电极条。如果不同的弧形部分的电势不同，则可形成径向(即，图3中的X-方向)的场，在这种情况下，射束轴线基本上为圆形并且位于也包含了其曲率半径中心的XZ-平面内。图3所示的电极的这种布置允许形成与图2所示大致相同的孔径2G0。与图2相似，同样在图3中，在具有宽度W1，W2，W3，W4，W5的每一块板上均显示出5个电极条，其中，选择W1和W5大于其它的电极条。另外，在中间平面中标出点1a，2a，3a，4a，5a，以及通过这些点并与弧形Z轴线同心的线。此处，将这种同心度称为平行度。
虽然在图2和图3中，所有电极条均具有大致相同的宽度，但是最好以明显不同的方式选择这些宽度。为了非常精确地使电势靠近离子束，例如可以将接近离子束的一个或几个电极条切成几个能够施加略微不同电势的更小的电极条。但是，也可以选择中央的电极条大于其相邻的电极条，该中央电极条明显宽于板的间隔的情况将会增加多极电势分布的8-极分量。
在图2所示的电极条的布置能够实现具有笔直轴线的精确四极或其它多极场以及具有弧形Z-轴线的环形电容器的图3所示电极条的布置。但是，至少对于较大值G0而言，在X-方向要求非常宽的结构。通过将电极条加至在Yu和Yd处的平行板上的电极条上，进而将其它辅助电极条加入垂直穿过XZ-参考平面的表面上，即此处参考的正表面上，能够缩小这种较宽结构。就这种系统中的直线状Z-轴线而言，在Yu和Yd处的板上的电极条以及在Xl和Xr处的板上的电极条基本上为矩形。就弧形状Z-轴线而言，在Yu和Yd处的板上的电极条大致为环形部分而在正表面上的电极条则为大致圆柱形。这些电极条的形状如图4所示。在该系统中，形成矩形多极场区域，以便沿在Xl和Xr处的正平面的电势分布限制场达到最大和最小的X-值，同时，通过在Yu和Yd处的平行板上的电极条的形状和电势，基本上能够确定电势分布的精确性。
虽然除了在平行板处的电极条以外，还经常推荐使用在直平面上的辅助电极条，但应强调的是：无需借助正平面上的电极条，仅仅通过在平行板上的电极条就能获得相同的理想电势分布。在这种情况下，在直径2G0的孔径内的电势分布主要以电极条2，3，4的宽度w以及它们的电势形成。电极条1和5的影响相似但非常小。重要应强调的是：这些变化也会影响沿Z-轴线的点上的电势。但是，为了保持Z-轴线的电势不变化，可以始终在上侧板上的所有电极条上增加或减去某一电势RF-和DC-电势Vu而在下侧板中的所有电极条上增加或减去另一RF-和DC-电势Vd。
在选择电极条1和5的电势处于接地电势而电极条3也大致接近该电势的情况下，通常可以通过将电势加至均大致等于值V0的电极条2和4上，由此获得适合的电场分布。在电极条2，3，4均为大约2G0的宽度(即，W2＝W3＝W4＝2G0的情况下)，例如发现绕Z-轴线的电势分布基本上为在V20为V0的适当分数的N＝2的公式(1)中所述的纯四极的电势分布。
若对以不同宽度W2和W4的每一u，d对电极条之间的间隙的中点为特征的图2和图3中的点1a，2a，3a，4a，5a的电势V1，V2，V3，V4，V5进行数值计算，则电势V2和V4实质上随W2/G0和W4/G0的比而增大，而较小电势V1，V3，V5则表现出相似的相关性。
虽然以数字方式确定了在两块平行板上的电极条之间的详细电势分布，但是，可以指明的是：对于随Z改变不同电极条的间隔2G(Z)和宽度w(Z)而言，如果(w/G)-比基本上不随Z变化，那么沿Z-轴线的电势会保持大致恒定。在这些情况下，因此，希望多极强度与Z一起增大或减小。在其它情况下，除了场沿Z-方向的状况以外，还必须期望更复杂的场分布。因此，在那些情况下，能够发现：如果对不同电极条施加RF-电势，则存在沿Z-方向在离子上的RF-力，如果对不同电极条施加DC-电势，则离子沿Z-方向加速或减速。
通过以下方式能够实现所述w/G-比的变化，即：
1.在电极条的整个长度范围内，在从G0至G0(1-δG)增大Z的情况下，减小G(Z)，例如，如图5中所示那样，使两块板彼此相对倾斜，以及
2.与图2的“矩形”电极条相比，使用“锥形四边形”电极条(参见图6)，或者，与图3的“弧形”电极条相比，使用“锥形弧形”电极条，即，随着Z，使电极条2u，2d的宽度W2从W2增大至W2(1+δw2)并且使电极条4u，4d的宽度从W4增大至W4(1+δw4)。虽然通常δw2不等于δw4，但是，在大多数情况下，如图6所示，均选择δw2≈δw4。
因此，通过改变板的间隔G(Z)或者通过使用具有宽度w(Z)的锥形电极条，能够实现(w/G)-比的Z-相关变化。但是，也可以组合这两种变化率。
虽然在图6中显示了锥形直线状电极条的两种布置，但是，未示出的锥形弧形电极条同样也可以采用这两种布置。在这两种情况下，横向多极强度均随Z增大。另外，在情况B，电势也会沿Z-轴线变化，而在情况A，由于选择了具有宽度w(Z)的不同电极条的锥角以及板的间隔G(Z)以便(w/G)-比大致恒定，因此，沿Z-轴线的电势基本上独立于Z。
电势沿Z-轴线的变化将会在板-多极的容积内沿Z-方向建立DC-电场。在使离子束沿填充了缓冲气体的与图2和图3相似的电极条的布置结构的Z-轴线通过时，这种电场是非常有用的。在这种情况下，即，如果没有沿Z-轴线推动离子的气体压力梯度或电场，则离子将会因离子-原子或离子-分子的碰撞而丢失能量，甚至会停止它们的前进。虽然这类电场可由现有技术的杆形或环形结构形成，但是，根据本发明的说明性实施例，这些场可通过图5，图6和图7所示的倾斜或锥形电极条形成。通过将DC-电势施加至在图6的例子B中所说明的锥形电极条结构中的电极条3，可形成这种场。如果对电极条“3a”施加电极条“3”的RF-和DC-电势加上辅助离子吸引或排斥DC-电势，通过图7的例子A中说明的锥形电极条结构也可以形成这种沿Z-方向的场，同样，如果对电极条“2a，3a，4a”施加电极条“2，3，4”的RF-和DC-电势加上辅助离子吸引或排斥DC-电势，通过图7的例子B中说明的锥形电极条结构也可以形成这种沿Z-方向的场。
在某些情况下，对于板-多极的弧形进入边界而言，如图8所示，最好改变不同电极条的长度。虽然这些边界可以形成在板-多极的进口以及出口处，并且，它们如图8所示为弧形，但是，也可以使它们倾斜或使它们以非圆形状弯曲。所有这些变形均允许形成另一种用以控制离子束上的横向力的方式。
在图9中显示了锥形电极条的原理的特定变形。在这种情况下，如图所示，电极条加倍逐渐缩小，以便加至这些电极条上的DC-电势形成朝向中间Z-位置的力。可以将这种方法应用于直线状—轴线—区段板-多极以及弧形—轴线—区段板-多极。在两个情况下，使离子在中间的Z-位置处聚集形成较小云团。随后，从该位置开始，沿以下方向提取离子：
1.通过图9中所示的提取孔的Y-方向，所述提取孔如图9所示，可以是矩形或以不同的方式形成以允许通过短时间使不同电势作用于上侧板上的电极条和下侧板上的电极条上而实现的理想的离子提取；
2.以短时间使不同电势作用于以不同X-位置为特征的不同电极条上的X-方向，但是，在所述不同的X-位置处，以短时间施加在上侧板上的电极条上的电势以及短时间施加至下侧板上的电极条上的电势是基本上相等的。沿X-方向的离子提取对于弧形—轴线区段是非常有用的，在该处，如果所述提取发生在凹入方向，则会聚集离子云，如果提取发生在凸起方向，则会使离子分散。
3.Z-方向，即通过沿Z-方向施加可通过作用于板-多极的入口和出口处的散射场限制器上的不同电势形成的场，或者，通过将双锥形电极条分为两个锥形的电极条的Z-方向(其中的第一个电极条随Z增大其宽度，而其中的第二个电极条随Z减小其宽度)，以此方式实现沿Z-方向提取离子。在这个例子中，可以在所述两个锥形电极条施加短时间的不同的DC-电势。
在“板”上的电极条以不同方式形成的情况下，可以根据图2-9建立具有或没有重叠偶极场的多极。它们能够：
1.由绝缘金属件形成，其中，这些电极条的安装应确保不能或仅仅略微由离子的位置看到安装结构；
2.可以由施加了电势的绝缘金属丝形成，这些电势对于每一金属丝来说可以是不同的或者对不同组合的金属丝来说可以是不同的。如果必须对离子运动的空间进行很好地抽气以便最终的真空度非常小，则这种设计是有利的。
3.可以形成例如设置在陶瓷基材或环氧树脂基材上的印刷电路板(参见图10)上的金属补钉，在大多数用途中必须选择所述陶瓷基材或环氧树脂基材以便具有低除气率。这是一种以电极条的高精度匹配为特征的精巧的方式。如图10所示，通过使接地导电层位于基材的相对侧上，这种结构也能允许RF-场的有效屏蔽。如果使用多层印刷电路板，则可以将该屏蔽层设置在基材厚度的中央。在这种技术中，也可以采用双层或多层屏蔽。就印刷电路板而言，如果不同的电极条仅以较小的间隙分离，则是有利的，所述间隙最好小于金属补钉的厚度，以便绝缘基材的加装仅仅对整个电势分布具有较小的效果。
4.可以在稍微导电的印刷电路板上形成金属补钉。其可通过在整个印刷电路板上涂敷一些略微导电的薄膜来实现，或者，通过使用类似所谓“绿色陶瓷”的略微导电的基材来实现。在这种情况下，应以线性方式插入不同电极补钉之间的电势。
板-多极的特性在于：能够容易地改变由公式(1)描述的任意多极电势分布的电势VN0，因此，能够改变对应的多极的强度。其可永久地适用于DC-向量或作为时间的函数。因此，特别可能实现以与偶极场相同或不同的频率或相移改变多极场的强度。这样例如可允许将另一频率的转动场加至一个频率的多极场。这种结构适用于分子离子的分裂[V.Raznikov etal.，Rap.Comn.in Mass Spectrom.15(2001)1912]。
另外，可以随时间改变这些频率中的任意频率。这例如对于运动频谱仪或差异流动谱仪而言是特别有利的，以便较低或较高质量的离子能够经受不同的聚焦强度。另外，其中优势极性为四极的板-多极是灵活的装置，其能够形成具有可变化强度或倾斜角度Φ的四极并且可以将值选择为随时间是恒定的或随时间改变。
另外，例如，如在由杆型电极构成的数字离子陷阱[P.H.Dawson，“Quadrupole Mass Spectrometry and its Application”，Elsevier，Amserdam
1976]中已形成的那样，不通过频率而是通过迅速转换的电压来驱动板-多极。其在另外需要频率的复杂混合并且如果必须将恒定或脉冲DC-电势同样加至所述系统的情况下，是特别有用的。
如在针对它们在图11中的两种形状所显示的那样，板-多极通常由散射场限制器端接。这种散射场限制器能够避免在板-多极范围内形成的场过远超出板-多极。这种散射场限制器如图12所示。它们可以：
a.形成矩形、圆形或椭圆形框架；
b.形成“狭缝型”膜片，这种狭缝型膜片易于结合至形成印刷电路板的多极的设计中。
所有这些膜片也均可以由格栅限制，如图12所示，在这种情况下，框架的结构仅仅具有次要的重要性。
如果作为在XZ-参考-平面处的电势，基本上使相同的电势作用于电极条A2，A3或B2，B3上，则能够合理地终止板-多极的场。在这种情况下，可以省除电极条A1，A4或者B1，B4。但是，也存在这些散射场限制器的其它用途。
1.若使离子排斥DC-电势作用于电极A2，A3或B2，B3，则已处于板-多极容积中的离子不能逃逸并且将会沿Z-轴线前后运动。因此，如果将适合的电势作用于电极条上，则可以将板-多极用作离子阱，其能够简单地保持离子，对这些离子进行质谱分析或为沿X-，Y或Z-方向的聚束提取准备这些离子，如上面论述图9时已描述的那样。仅仅通过双锥形电极条也可协助或如已描述的那样实现这种陷获(trapping action)作用。
2.如果使离子吸引DC-电势作用于在图11所示的板-多极的出口侧处的电极条A3或B3上，并且，使离子排斥DC-电势作用于电极条A4或B4上，则发现：将会形成较短的离子陷获区，该陷获区通过简单地将电极条A4或B4的电势改变为离子吸引电势，就能沿Z-方向提取离子。可以将板-多极用于以下列出并且在图13和图14中局部显示的不同用途，但是，还存在能够应用它们的许多其它任意组合。
1.板-多极可以将离子从一个区段输送至另一区段。其可以仅是一种沿Z-轴线的物理分离或者可以使离子从一种类型的分析运动至另一种类型的分析。
2.可以将板-多极用作电子束冷却器，在该冷却器中，离子会因离子-原子或离子-分子的碰撞而失去能量，以便将离子云压缩至更小的相位空间体积。其可通过仅仅使离子一次性地通过板-多极的长度范围或以上面描述图11时所述的方式陷获离子，而得以实现。
3.可以将板-多极用作通过离子-原子或离子-分子的碰撞使分子离子分裂的碰撞单元。随后，可以在某些扇形场分析仪、四极过滤器或飞行时间质谱仪中对所得的离子碎片进行质谱分析。通过仅仅使离子一次性地通过作为离子碰撞单元的板-多极的长度范围或者通过以上面描述图11时所述的方式捕获离子，即可实现这种分子离子的分裂。
4.可以将板-多极用作四极质谱仪。这种质谱分析可通过简单使离子一次性通过板-多极的长度范围而得以实现，在这种情况下，可以将其称为滤质器。但是，质谱分析也可以通过将板-多极作为质谱分析离子陷阱来实现，在这种情况下，其可如描述图11时所述那样，陷获离子。
在情况1，2，3中，对于大多数情况而言，足以对不同的电极条仅施加RF-电势。但是，在这种情况下，仅能够排除小质量离子，而所有其它离子均能通过。在对不同的电极条另外也施加DC-电压时，仅仅特定通常较短质量范围的离子将会存留。在情况2和3中，这种质谱分析能力也可通过不仅对不同的电极条施加RF-而且还施加DC-电势来实现。但是，在这些情况下，通常有限的质谱分析能力即足够了。
在图13和图14中显示了不同的板-多极的组合。在这些附图中，不同的板-多极必须执行的任务并不是固定的。在以下的说明书中，提供了一些可行的结构。
在图13中显示了4板-多极A，B，C，D，在相同的Z-轴线上，对这些板-多极添加了相关技术的杆-型四极。在这种结构中，可以将板-多极A用作运动谱仪，将板-多极B用作输送部分，将板-多极C用作质谱仪，将板-多极D用作破碎分子离子的碰撞单元，随后，所述破碎分子离子能够进入最终的杆-型四极质谱仪内。但是，也表明：例如，已从垂直于板的板-多极D抽取离子，以将它们喷入未示出的飞行时间质谱仪内。
作为例如能够更好地区别不同的分析仪或者提供类似射束冷却这样的辅助功能的传送装置，可以在图13所示的结构内设置辅助的板-多极。自然，代替在板-多极D之后添加，也可以在两个板-多极之间设置杆-型四极质谱仪。如图所示，所有的板-多极均由散射场限制器分隔，如果需要可对散射场限制器进行简化或者可以将它们用作离子推斥器以便将对应的板-多极用作离子陷阱。
在图14中，显示了与图13所示相似的板-多极的结构。但是，在这种情况下，清楚地显示了板-多极中的一个为弧形-轴线板-多极。虽然为了简化，将该弧形轴线的板-多极的偏移角度选定为π，但是同样也可选择任意其它的角度。如果将该弧形-轴线的板-多极C用作碰撞单元，则可以将板-多极D用作质谱分析仪，或者，如果对其电极条施加RF-和DC-电势，则可将其用作另一质谱分析仪(未示出)的传送装置。也可以将板-多极D用作将离子聚集至其中间并且垂直于其上表面将它们喷射至例如飞行时间质谱仪内的板-多极。但是，也可以将该板-多极D用作另一质谱分析仪的传送装置，如作为相关技术的杆-型四极显示的装置。在这种情况下，例如可以将板-多极A作为射束冷却器，将板-多极B作为质谱仪，该质谱仪能够选择在碰撞单元中破碎的特定分子量的初级离子，此处碰撞单元可以是板-多极C。
图15显示了位于5个不同X-值处的两块平行板Pu和Pd上的5个电极条，所有这些电极条均平行于Z-轴线(也参见图2)布置。但是，在图15中，将这5个电极条分在以不同平均Z-值为特征的4个区段中。在该说明性实施例中，对以X-值为特征的所有电极条施加对应的与X有关的DC-和RF-电势并且对以某一Z-值为特征的所有电极条施加与这些电势大致相同的与Z有关的RF-和DC-电势。由于这种施加是针对在Pu和Pd处的电极条进行的，因此，能够沿Z-方向建立DC-场。
由于实质上存在对不同电极条均提供不同电势的许多电线，因此，此处显示了如何能够分别利用位于接地板G2u，Glu和Gld，G2d之间的导线Lu和Ld实现此项任务的方法。其允许以电介质条状线技术形成导线，同时，通过不同的电极条提供所形成的RF-场的有效RF-屏蔽。这种结构可以采用多层印刷电路板技术形成。在这种情况下，对于上侧板Pu以及对于下侧板Pd而言，绝缘三层基板是必需的。但是，为了说明的简化和清楚，并没有显示出这些基板。
同样在图16中，如图15所示的在两块平行板Pu和Pd上显示了5个在Z-方向的分段电极条。在所示的情况下，最终的有效电压控制元件实质上接近对应的最终电极条设置，以便导线不会形成对于地面的额外电容，以及不会形成额外的电阻载荷。这种结构能够减小在离子光学系统其余部分中的所需的RF-功率的量值以及RF-场。但是，该实施例可以通过水或其它液体对设有这些工作元件的印刷电路板进行冷却。这类冷却管如图所示，为Cu和Cd。这些工作元件如图所示，安装在残余气体压力与离子运动的区域中的气体压力不同的机壳中。
图17显示了多个电极条，这些电极条形成应确保：如果将正确的RF-和DC-电势施加在对应的电极上，则这些电极条能够制造转动对称加速或减速透镜的场。在这种情况下，离子仍从电势V0开始，随后，使它们加速或减速至电势Vm，之后，使它们加速或减速至电势V1。在V1≠V0的情况下，称为转动对称浸渍透镜，而在V1＝V0的情况下，称为转动对称单透镜。
在相似的电极条的布置中，如用于飞行时间质谱仪的相关离子反射镜那样，也可以形成转动对称离子反射镜的场，但是，在这种情况下，该场通常由转动对称电极形成。
前面的实施例和优点仅仅是说明性的，它们不应构成限定，本发明的技术启示能够容易地应用于其它类型的设备。同样，对说明性实施例的描述是说明性的，不应限制权利要求的范围，并且，许多的变形和改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。
工业实用性
可以将本发明用于不同类型的带电粒子分析仪。这些带电粒子分析仪包括用于环境中轨迹分析的运动谱仪以及在生物、医药或药物学以及地质学或材科学的无机化学中使用的质谱仪，但是，也可以将这些实施例用于电子束分析或悬浮微粒的分析或输送。