一种可适应温度变化的内切圆近零膨胀四极杆

技术领域

本发明涉及质量分析仪器技术领域，尤其是涉及一种可适应温度变化的内切圆近零膨胀四极杆。

背景技术

液相色谱-质谱联用设备广泛应用于食品、药品分析等领域。其中液相色谱串联单四极杆质谱(LC-MS)谱图中，如果采用电喷雾电离源，基本只有准分子离子，很少或没有碎片，因而只能给出未知物质的分子量信息，无法进一步获得结构信息；若采用电子轰击源(EI源)，则能产生碎片离子，进行简单的结构分析。

液相色谱串联三重四极杆质谱(LC-MS/MS)采用串联质谱，既能得到分子离子峰，又有碎片离子峰，因而可以用来进行定性和定量分析。它可以降低背景噪声，提高检出限，并提高待测物质的灵敏度。

目前国外仪器中，AB SCIEX三重四极杆质谱仪可以做到3000质量数分辨率。国内还没有分析质量数达到2000以上的商品化三重四极杆质谱仪。其难点在于高精度高稳定性四极杆质量分析器组件(简称四极杆组件)。四极杆组件最关键的指标，是其极杆内切圆尺寸的准确性，其尺寸综合精度需要在2μm左右，属于精密/超精密装配。内切圆尺寸准确性包括初始装配精度和温度稳定性。其中初始装配精度由加工和装配工艺决定，温度稳定性由四极杆设计方案决定。本专利主要针对四极杆设计方案优化。

普通单四极杆质谱仪中一般采用不锈钢等金属杆，其材料线膨胀系数较大，使用环境温度对其质量分析效果影响较大。一般质量分辨能力较高的质谱仪，如AB SCIEX公司和Agilent公司等的产品，仪器中四极杆均采用陶瓷和石英等高刚度低线胀系数材料。材料加工难度大，且需要进行表面镀金等金属化处理以便于极杆导电。而相关极座/定位筒与极杆的连接多采用无磁性的不锈钢螺钉等。

发明内容

本发明提出一种可适应温度变化的内切圆近零膨胀四极杆，具体提出一种质谱仪用四极杆质量分析器尺寸稳定性匹配设计方案，即匹配线胀系数设计方案，可在采用同等材料极杆的情况下，显著提高四极杆组件关键指标-极杆组件内切圆尺寸温度稳定性，使内切圆线膨胀系数接近或等于零，从而提高四极杆组件在进行质量分析时的性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可适应温度变化的内切圆近零膨胀四极杆，包括定位筒、极杆和连接件，四根极杆插入到定位筒内，极杆通过连接件固定连接于定位筒。

进一步，所述定位筒、极杆和连接件的选材匹配方案，即线膨胀系数匹配方案为：设定定位筒的纵截面中心圆半径为R，定位筒的纵截面中心圆到最近极杆的距离为L，L即为连接件的有效连接长度，极杆的纵截面直径为D，四根极杆在定位筒内围成的内切圆半径为r，根据几何关系，得出：r＝R-L-D，温度变化后，则得出公式一：Δr＝ΔR-ΔL-ΔD，

定位筒所用材料的线膨胀系数为a1，连接件所用材料的线膨胀系数为a2，极杆所用材料的线膨胀系数为a3，温变温度为T，则ΔR＝a1*T*R，ΔL＝a2*T*L，ΔD＝a3*T*D，则得出公式二：Δr＝a1*T*R-a2*T*L-a3*T*D，

定义内切圆线膨胀系数为a4，则Δr＝a4*T*r，即a4＝Δr/(T*r)，即得出公式三：

a4＝(a1*T*R-a2*T*L-a3*T*D)/(T*r)＝(a1*R-a2*L-a3*D)/r，

若需要使温度变化后，内切圆半径的变化量Δr＝0，或Δr接近于零，取a4＝0或|a4|≤3e

或公式五：|(a1*R-a2*L-a3*D)/r|≤3e

即定位筒、连接件和极杆所选用材料要满足公式四或公式五。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本专利可得到在温度变化下尺寸稳定性极佳的四极杆产品。采用本专利技术的四极杆组件尺寸稳定性明显优于普通设计，可极大提高四极杆在温度变化情况下的尺寸稳定性，从而提升四极杆组件作为质量分析器在质谱仪中的性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构和尺寸示意图；

附图标记说明：

1-定位筒；2-连接件；3-极杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-2所示，一种可适应温度变化的内切圆近零膨胀四极杆，包括定位筒1、极杆3和连接件2，四根极杆3插入到定位筒1内，极杆3通过连接件2固定连接于定位筒1。

所述定位筒1、极杆3和连接件2的选材匹配方案，即线膨胀系数匹配方案为：设定定位筒1的纵截面中心圆半径为R，定位筒1的纵截面中心圆到最近极杆3的距离为L，L即为连接件2的有效连接长度，极杆3的纵截面直径为D，四根极杆3在定位筒1内围成的内切圆半径为r，根据几何关系，得出：r＝R-L-D，温度变化后，根据各尺寸的变化量，则得出公式一：Δr＝ΔR-ΔL-ΔD，

定位筒1所用材料的线膨胀系数为a1，连接件2所用材料的线膨胀系数为a2，极杆3所用材料的线膨胀系数为a3，温变温度为T，则ΔR＝a1*T*R，ΔL＝a2*T*L，ΔD＝a3*T*D，则得出公式二：Δr＝a1*T*R-a2*T*L-a3*T*D，

定义内切圆线膨胀系数为a4，则Δr＝a4*T*r，即a4＝Δr/(T*r)，能反映出内切圆半径随温度的变化程度。即得出公式三：

a4＝(a1*T*R-a2*T*L-a3*T*D)/(T*r)＝(a1*R-a2*L-a3*D)/r，

a4用于复核设计的结构的承受温度变化后变形程度。

若需要使温度变化后，内切圆半径的变化量Δr＝0，或Δr接近于零，取a4＝0或|a4|≤3e

或公式五：|(a1*R-a2*L-a3*D)/r|≤3e

即定位筒1、连接件2和极杆3所选用材料要满足公式四或公式五。

根据现有文献推荐比例，极杆直径与内切圆直径比例多采用1.13左右，即D/2r＝1.13。

实施例：

例如，已知几何尺寸D＝12，R＝22，则计算出r＝D/(1.13*2)≈5.31。则L＝R-r-D＝4.69。

如果定位筒1以及极杆3采用氧化铝陶瓷(线膨胀系数约为8e

则此时连接件2可选择线膨胀系数在17.05左右的青铜、黄铜等材料。比如黄铜在0-100℃范围内，线膨胀系数约为17.11e

利用公式五得出，|a4|＝|(a1*T*R-a2*T*L-a3*T*D)/(T*r)|＝|(a1*R-a2*L-a3*D)/r|＝|-0.05e

按上述几何尺寸和连接件选材，四极杆产品从常温20℃变化到50℃(温升30℃)时，内切圆半径变化量为a4*30℃*5.31mm＝-0.008μm(即-8nm)。而如果连接件2采用常用的陶瓷封接用可伐合金材料，线膨胀系数约为4.8e

应当指出，通过相近技术，比如固定材料线膨胀系数而调整结构尺寸而获得的设计方案，使得|a4|≤|3e-6/℃|，均在本专利的保护的技术范畴之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。