四极杆的加工和装配技术.docx

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四极杆的加工和装配技术.docx

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四极杆的加工和装配技术

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四极杆的加工和装配技术

Modifiedon2010/08/0615:

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四极杆的重要性¶

四极杆是四极杆GCMS、四极杆LCMS、QTOF等高低端仪器所必备的核心部件。

在四极杆GCMS中，四极杆分析器是单个价格最高的部件，一般商用的GCMS四极杆分析器售价都在4万~12万之间，甚至更高。

在LCMS中四极杆的精度更高、价格更贵，普遍要达到6万~25万，占一台中高端质谱硬件成本的30%以上。

四极杆分析器一直是我国国产化质谱的老大难问题。

尽管80年代KYKY仿制成功300u石英四极杆（其实可以作为简易GCMS使用到800u），90年代末期东西电子也研制了自己的GCMS四极杆（在老北分引进HP5970的基础上）,以及2004年计量院和普析通用承担了国家科技支撑计划“质谱关键部件”项目（1400万）产生了自主开发的四极杆分析器，2007年复旦大学和上海恒平开发了工业四极杆质谱（30万），但是国产四极杆分析器目前仅能在300u左右的低端四极杆质谱仪上使用，国产GCMS产品中并未使用国产的四极杆分析器（截至2010年7月）。

国产四极杆主要问题表现在：

1.国标精密计量和加工体系崩溃，必须使用国外标准来计量（日式、台式、美式）

2.热稳定性不好，热处理水平低

3.材料质量差

四极杆加工和装配的难点¶

四极杆计量技术¶

Metrology四极杆技术的难点分为两个方面：

∙高精度机械

o大尺寸（10cm）高精度（2um）的测量

o大尺寸高精度的加工

∙高精度射频电路

o高精度（0.01%）的射频测量

o高精度的射频发生

四极杆计量指标要求¶

对于加工和装配四极杆而言，首先我们应当确定四极杆项目的指标要求。

苏联和德国科学家有不少深入的数学分析，但是我们这里仅仅从简单的四极杆质谱分辨力来估算四极杆的精度要求。

对于GCMS所使用的四极杆，其质量范围是1~1000u，分辨力0.5u，所以质量范围的精度是2000（0.5/1000）。

如果四极杆的误差传递体系是4参数，那么对于单一参数的误差平均值是万分之五，最大允许误差是万分之十。

如果机械和电子学各分担了50%的误差，那么最大误差是万分之七，对于机械加工精度和射频精度。

按照这样的推算，对于8mm直径的四极杆其加工和装配精度至少需要优于5.6um。

而对于LCMS所使用的高性能四极杆而言，其质量范围更大50~3000u，分辨力相同0.5u，质量范围精度是6000（0.5/3000）。

如果四极杆的直径是8mm，其精度至少应该达到1.8um。

因而四极杆LCMS比GCMS加工难度大许多，也贵许多。

四极杆计量技术¶

计量是一切工程技术的基础。

没有合适的计量手段，我们没有办法确定自己的部件产品是否符合要求。

简单的例子便是长度测量，越是精度高的计量手段，其价格就越高。

但是要注意的一点是，不要使用太高或者太低的计量手段，应当是目标要求的5倍左右。

对四极杆2um精度常犯的错误是使用千分尺。

千分尺的示值精度为2um，重复精度仅有3~5um。

原因在于测力不均（测头的夹紧力不重复），螺纹不紧固（能转动就会有一定轴震动空间）。

我们这里使用的是带表杠杆千分尺。

使用时先用螺旋头调节至8.000mm，锁死（紧固），并使用杠杆表头来测量（恒定测力）。

这样精度和重复性均可大2um，作为差分测量时可达0.5um，完全满足GCMS四极杆的需要，但不能用在LCMS的四极杆上。

代表杠杆千分尺（精度1um）

对于LCMS的四极杆我们使用了光学测微的方法，精度和重复性为0.05um（实际上我们使用0.2um就可以了）。

光学测微仪（精度0.05um）

不仅如此，建立先进的计量体系是四极杆工程必备的。

精度在0.2um左右的计量基准：

1.球，0维，基本长度，0.02um

2.棒，1维，基本平行长度，0.05um

3.块，2维一面半，基本厚度，0.08um

4.平晶，2维二面，基本等厚平行，0.008um

计量指标

计量技术

计量工具

参考器具

计量精度

要求精度

作用

四极杆长度

游标卡尺

“上工”300mm带表

20um

100um

四极杆等长

真圆度

电感测微

真圆度仪

RA-120

0.07um

0.5um

圆柱真圆度检测

直线度

电感测微

平板、电感仪

MAHR1340

0.08um

0.5um

四极杆的直度

平面度

光栅测微

立式光学计

JDG-S2

0.1um

0.8um

四极杆杆-杆平行度

四极杆加工技术¶

ManufacturingtheQuadrupoleAnalyzer

粉末冶金法所生产的棒料（钼）具有较好的材料化学和热稳定性。

四极杆毛胚

四极杆加工的难点在于高精度圆柱度的加工。

目前在国内这种精度的加工已经不足为奇。

复旦大学设计的8mm四极杆加工图纸

请参考：

1.8.0mm四极杆圆棒图纸

2.8mm四极杆圆柱杆图纸

四极杆工业包装产品

各种材质和尺寸的四极杆圆柱杆

四极杆装配技术¶

四极杆定位模型¶

理想模型¶

IdealModel

理想的四极杆模型仅包括4支相同的圆柱杆，分别按照X方向和Y方向对称，分别定位在（p,0）、（-p,0）、（0,p）、（0,-p）。

四极杆的半径标识为r，四支圆柱杆的内切圆半径为r0（即场半径）。

四极杆的基本几何要素

误差分析¶

Tolerance

硬定位¶

硬定位采用的是定位陶瓷块（Quadrupolealignmentceramic,QAC）来固定四极杆的位置。

这一方法要求QAC的加工精度很高，而且其厚度要大于四极杆长度的10%左右。

依靠陶瓷定位环完成的圆柱杆硬定位四极杆

在四极杆中，硬定位的综合精度较低，成品率也较低，为大多数RGA工业质谱以及中低端GCMS所采用。

四极杆定位陶瓷块,QAC

软定位¶

软硬结合定位¶

参考文献¶

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Bio-MassSpectrometryR&DLab,复旦大学化学系,教育部创新科学仪器工程中心

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