[其他]利用封閉邊界產生靜電四極場的結構

在審

• 申請號: 101985000002774
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85102774B
• 公開（公告）日: 1987-11-04
• 發明（設計）人: 華中一;王陽;范承善;谷超豪
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 代理公司: 上海專利事務所
• 代理人: 須一平

目前大多數商品化的靜電四極場系統均采用圓截面的金屬電極結構。這種結構加工較為復雜，且只能在靠近對稱中心的很小區域里產生完整四極場；此外，電極之間存在空隙，在用玻璃或陶瓷作為管殼時會受到管殼內壁雜散電荷形成電位的影響。本發明根據理論計算求得產生完整靜電四極場的方法和用均勻厚度或厚度呈連續變化的高阻材料構成封閉邊界的結構，其電位隨位置作連續變化，以產生各種形式的完整靜電四極場。這種結構比較簡單，可以廣泛應用于電子光學系統及各種儀器設備中。

本發明屬于電子光學及儀器分析領域。

靜電四極場的基本特征是：電場強度與位置呈線性關系。在直角座標系統中，垂直于z軸的x、y平面內，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，其值與位置無關，由E₀可以是時間函數。

公式（Ⅰ）表示在x、y平面內，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成等位面，就可以在電極之間得到靜電四極場。這種結構由P·H·道森在1980年美國學術出版社出版的“電子與電子物理學進展叢書”補編13B中的《應用帶電粒子光學》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準方面存在相當的困難，因此，多數商品化的四極場系統均采用圓截面的金屬棍結構來作為近似替代，這就是通常所說的“四圓棍”靜電四極場系統。這種系統由美國D·R·丹尼森在“真空科學與技術”1971年第8期中揭示。

雖然上述產生靜電四極場的結構已經得到廣泛的應用，但它們的缺點是十分明顯的。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大于工作區。特別在使用“四圓棍”結構時，由于“四圓棍”不是雙曲面，因此只能產生“準雙曲場”，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）所示的關系，而隨著座標x、y的增大，電位分布將越來越偏離公式（1）所示的關系。如果用圓形管殼來容納這四根電極，則工作區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壁雜散電荷形成電位的影響。

本發明系根據理論計算來求得產生完整靜電四極場的方法和具體結構。這種結構采用高阻材料作為本體構成封閉邊界，在一定條件下，沿此邊界的電位將隨其幾何位置作連續變化，以此得到完整的四極場。

利用本發明的四極場結構與普通的雙曲面或者四圓棍式結構相比，具有以下幾方面優點：首先是本發明封閉曲面內的空間中任何一點都嚴格滿足靜電四極場的基本關系，因此邊界內部可以全部用來作為工作區，這樣工作區的比例就遠超過普通的雙曲面或者四圓棍式結構;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。

本發明的基本原理可以簡述如下：

將公式（1）改寫成極座標形式：

無空間電荷的靜電場應滿足拉普拉斯方程，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為相應的系數，因此，完整四極場的邊界電位應滿足公式（4）的關系。

由此可以設想，產生靜電四極場的方法可以是用規定電阻率的材料構成封閉邊界，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），則邊界內部即為完整靜電四極場。

為了對各邊界的靜電四極場作進一步詳細的說明，現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;