双曲面四极杆及其加工方法和四极杆质谱仪

摘要

本发明属于分析仪器技术领域，公开了一种双曲面四极杆及其加工方法和四极杆质谱仪。该双曲面四极杆的加工方法首先粗加工出多个具有通腔的陶瓷环，并通过十字轴向切割将圆柱形金属母杆切割成四个相同的子杆，然后将切割后的圆柱形金属母杆依次轴向装配在多个陶瓷环的通腔中，最后再把四个子杆精加工成所需要的具有双曲面的双曲杆，其中，双曲面的场半径均相同，形成一个完善的双曲场，保证了双曲面四极杆的精度，使得四极杆质谱仪具有很好的性能指标。且生产成本低，整个加工过程对陶瓷环和圆柱形金属母杆的加工精度要求较低，把加工误差和装配误差合二为一，大大降低了加工难度，适合批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及分析仪器技术领域，特别是涉及一种双曲面四极杆及 其加工方法和四极杆质谱仪。

背景技术

四极杆质谱仪是一种分析仪器，分析速度快，分辨率和灵敏度高， 定量重复性好。双曲面四极杆是四极质谱仪的一个关键部件，包括四 个双曲杆，四极质谱仪的各项性能指标很大程度上取决于双曲面四极 杆的加工装配精度。离子在四极杆质谱仪中的分离要求有一个完善的 双曲场，该双曲场由四个双曲杆的双曲面两两相对组成，四个双曲杆 的加工和装配精度直接影响四极杆质谱仪的精度。

结合图1和图2所示，目前国内四极杆质谱仪双曲面四极杆的加 工方法一般是先加工出四根高精度的金属圆杆2和陶瓷环1，再人工 将加工成具有双曲面W的四根金属圆杆2（又称双曲杆）和陶瓷环1 按照一定的场半径R0（场半径R0为双曲面顶点p到四根金属圆杆中 心O的径向距离）通过螺栓结构3组装成双曲面四极杆。这样生产 成本高，且加工出的双曲面四极杆精度低，只能用于在分辨本领和灵 敏度相对不高的残余气体质谱分析仪和真空环境监测的质谱分析上。 高精度的双曲面四极杆加工应由下面几步完成：首先要把金属杆按要 求的直径D加工到误差小于1-2μm的金属圆杆2，这包括直径、直 线度、椭圆度等，同时固定四根金属圆杆2的陶瓷环1精度也要达到 1-2μm；第二步就是要把每根金属圆杆2再加工成所需要的双曲杆， 精度一般也要在±2μm左右；第三步就是人工精确组装成双曲面四 极杆，要求装配时每根双曲杆所在的位置都完全在所要求的场半径 R0的位置上，精度要达到±2μm，这对加工和装配的要求都很高， 到目前为止，国内外还从未做到这样的精度。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种双曲面四极杆的加工方法， 用以解决现有双曲面四极杆的加工方法生产成本高及对加工和装配 精度要求高的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明主要提供一种双曲面四极杆的加 工方法，包括：

S1、粗加工出多个具有通腔的陶瓷环；

S2、将圆柱形金属母杆十字轴向切割成四个相同的子杆，其中， 所述圆柱形金属母杆的半径与所述陶瓷环通腔配合；

S3、将切割后的所述圆柱形金属母杆依次轴向装配在所述多个陶 瓷环的通腔中；

S4、根据预设的场半径R0精加工出所述四个子杆的双曲面，且 所述四个子杆的双曲面两两相对。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，所述圆柱形金 属母杆的侧壁上具有四个沿圆周方向阵列分布的轴向通槽；

步骤S2中将圆柱形金属母杆十字轴向切割成四个相同的子杆具 体为：

分别沿相对的两个所述轴向通槽的中心连线轴向切割所述圆柱 形金属母杆。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，所述四个轴向 通槽的槽底为与所述圆柱形金属母杆同轴的圆弧面；四个所述圆弧面 沿圆周方向的总长为所述圆柱形金属母杆圆周长度的1/2。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，所述陶瓷环为 圆环形结构。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，步骤S4之后 还包括：

通过离子镀和电抛光对所述四个子杆的双曲面进行加工。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，步骤S1具体 为：

通过高温烧制所述陶瓷环。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，步骤S3之后 还包括：

对装配在一起的所述圆柱形金属母杆和多个陶瓷环进行退火处 理。

如上所述的双曲面四极杆的加工方法，优选的是，步骤S4中根 据预设的场半径R0精加工出所述四个子杆的双曲面具体为：

通过精密数控线切割床一次成型加工出场半径均为R0的所述四 个子杆的双曲面。

本发明还提供一种双曲面四极杆，采用如上所述的双曲面四极杆 加工方法所制得。

本发明还提供一种四极杆质谱仪，包括离子源、质量分析器和离 子检测器，其中，所述质量分析器包括如上所述的双曲面四极杆。

（三）有益效果

本发明所提供的双曲面四极杆加工方法首先粗加工出多个具有 通腔的陶瓷环，并通过十字轴向切割将圆柱形金属母杆切割成四个相 同的子杆，然后将切割后的圆柱形金属母杆依次轴向装配在多个陶瓷 环的通腔中，最后再把四个子杆精加工成所需要的具有双曲面的双曲 杆，其中，双曲面的场半径均相同，形成一个完善的双曲场，保证了 双曲面四极杆的精度，使得四极杆质谱仪具有很好的性能指标。且生 产成本低，整个加工过程对陶瓷环和圆柱形金属母杆的加工精度要求 较低，把加工误差和装配误差合二为一，大大降低了加工难度，适合 批量生产。

附图说明

图1为现有技术中双曲面四极杆的主视图；

图2为现有技术中金属圆杆加工双曲面后图1沿A-A方向的剖视 图；

图3a为现有技术中双曲面四极杆陶瓷环的主视图；

图3b为图3a的左视图；

图3c为图3b沿A-A方向的剖视图

图4为本发明实施例一中双曲面四极杆加工方法的流程图；

图5为本发明实施例一中金属圆杆未加工双曲面时图1沿A-A方 向的剖视图；

图6为本发明实施例一中金属圆杆未加工双曲面时图1的右视图；

图7为本发明实施例一中金属圆杆加工双曲面后图1的右视图；

图8a为本发明实施例一中双曲面四极杆陶瓷环的主视图；

图8b为图8a的左视图；

图8c为图8b沿B-B方向的剖视图；

图9a为本发明实施例一中圆柱形金属母杆的结构示意图；

图9b为金属母杆未切割时图9a的左视图；

图9c为金属母杆切割成四个相同子杆后图9a沿A-A方向的剖视 图；

其中；1：陶瓷环；2：金属圆杆；3：螺栓结构；4：圆柱形金属 母杆；5：子杆；6：轴向通槽；7：槽底；W：双曲面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

图4所示为本发明实施例中双曲面四极杆加工方法的流程图。如 图4所示，本发明实施例中的双曲面四极杆加工方法包括：

S1、粗加工出多个具有通腔的陶瓷环1；

本发明实施例中只需要把固定双曲面四极杆的陶瓷环1进行一般 的粗加工，如：可以按设计的形状进行高温烧制。其中，陶瓷环1的 通腔与使用的圆柱形金属母杆4外径配合，优选形状和尺寸均相同， 使得圆柱形金属母杆4的侧壁与陶瓷环1通腔的内壁紧密贴合，以更好 的实现对双曲面四极杆的固定作用。

现有技术中的陶瓷环1结构如图3a、3b和3c所示，结构复杂，还 要加工到2μm的精度才能使用，成本很高。

而本实施例的陶瓷环1采用了简单的圆环形结构，如图8a、8b和 8c所示，陶瓷环1的内圆壁能够与圆柱形金属母杆4的圆弧侧面很好配 合，而不需要加工到很高的精度，大大降低了生产成本。而对于陶瓷 环1外圆壁的加工精度只要能够达到与四极杆质谱仪设备装配的精度 要求即可。

S2、将圆柱形金属母杆4十字轴向切割成四个相同的子杆5，其中， 圆柱形金属母杆4的半径与陶瓷环1通腔配合；

结合图9a和图9b所示，本实施例中圆柱形金属母杆4不需要加工 到1μm的精度，只要与圆环形陶瓷环1通腔密切贴紧即可。切割后的 圆柱形金属母杆4如图9c所示。

S3、将切割后的圆柱形金属母杆4依次轴向装配在多个陶瓷环1 的通腔中；

其中，在装配过程中，切割后的圆柱形金属母杆4保持未切割前 的圆柱形金属母杆4的形状，如图5和图6所示。

因为本实施例中是先完成圆柱形金属母杆4与陶瓷环1的装配，而 陶瓷环1是经过高温烧制等粗加工方式加工出来的，为了消除粗加工 及其装配应力，不影响后续双曲面的加工精度，可以对装配后的圆柱 形金属母杆4与陶瓷环1进行适当的处理，如高温烧制的粗加工方式要 进行适当的退火处理，这些都是现有技术，在此不再赘述。

S4、根据预设的场半径R0精加工出四个子杆5的双曲面，且四个 子杆5的双曲面两两相对。

在圆柱形金属母杆4与陶瓷环1装配好后再根据预设的场半径R0 精加工出四个子杆5的双曲面W，对装配精度的要求大大降低，把圆 柱形金属母杆4、陶瓷环1和四个子杆5双曲面W的加工误差以及圆柱 形金属母杆4与陶瓷环1的装配误差合二为一，不仅加工出了四个子杆 5的双曲面W，而且把四个双曲面W按照预设的场半径R0也放置好了， 加工难度低，同时还能满足双曲面四极杆的高精度要求。

然而，这种方式会造成在加工四个子杆5双曲面W时破坏陶瓷 环1通腔内壁的现象，为解决这个问题，本发明实施例中的圆柱形金 属母杆4侧壁上具有四个沿圆周方向阵列分布的轴向通槽6，如图5-7 所示。相应地，需要分别沿相对的两个轴向通槽6的中心连线将圆柱 形金属母杆4轴向切割成四个相同的子杆5，这样在加工子杆5双曲 面W时，加工刀具与陶瓷环1通腔内壁之间具有一定距离，不会损 坏陶瓷环1通腔的内壁。同时还可以增加相邻子杆5双曲面W之间 的间隙，避免相邻子杆5双曲面W之间的放电。其中，在工作过程 中，双曲面四极杆相邻两子杆5分别通正负电。

并优选四个轴向通槽6的槽底7为与圆柱形金属母杆4同轴的圆弧 面，且四个圆弧面沿圆周方向的总长为圆柱形金属母杆4圆周长度的 1/2，相同的场半径R0可以增加双曲面W的面积。

其中，本实施例中通过精密数控线切割床一次成型加工出场半径 均为R0的四个子杆5的双曲面W，保证了批量生产时双曲面W的精度 有很好的重复性，适合大批量生产。同时还可以采用多次切割逐步逼 近R0的方式来达到较高的光洁度。

线切割加工完成的双表面W还可以通过不影响精度的离子镀和 电抛光两种方法进行加工，进一步提高双表面W的光洁度。

由于加工误差和装配误差合二为一，所以通过本发明双曲面四极 杆的加工方法可以加工出同样场半径R0时体积最小的双曲面四极杆。

实施例二

结合图1和7所示，本发明实施例中提供一种双曲面四极杆，该双 曲面四极杆可以采用实施例一中的双曲面四极杆加工方法所制得。

实施例三

本发明实施例中提供一种四极杆质谱仪，包括离子源、质量分析 器和离子检测器，其中，该质量分析器包括实施例三中的双曲面四极 杆，用于根据质荷比分离离子。

由于该四极杆质谱仪的双曲面四极杆采用实施例一中的加工方 法制得，能够提供一个完善的双曲场，具有很好的性能指标。

由以上实施例可以看出，本发明所提供的双曲面四极杆加工方法 首先粗加工出多个具有通腔的陶瓷环，并通过十字轴向切割将圆柱形 金属母杆切割成四个相同的子杆，然后将切割后的圆柱形金属母杆依 次轴向装配在多个陶瓷环的通腔中，最后再把四个子杆精加工成所需 要的具有双曲面的双曲杆，其中，双曲面的场半径均相同，形成一个 完善的双曲场，保证了双曲面四极杆的精度，使得四极杆质谱仪具有 很好的性能指标。且生产成本低，只相当于现有技术中高精度双曲面 四极杆加工方法的1/4。整个加工过程对陶瓷环和圆柱形金属母杆的 加工精度要求较低，把加工误差和装配误差合二为一，大大降低了加 工难度，适合批量生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。