Bei Quadrupol-Massenspektrometern erzeugen vier exakt ausgerichtete Quadrupol-Stäbe das elektrische Wechselfeld. Spezialisierte Halterungen oder Trägergehäuse, heute vorzugsweise aus Hochleistungskeramik gefertigt, fixieren die vier Elektroden-Stäbe mechanisch und isolieren sie voneinander. Die keramischen Materialien spielen hier ihre bedeutenden Eigenschaften aus: hohe elektrische Isolation und hohe mechanische Stabilität verbunden mit einem niedrigen elektrischen Verlustfaktor. Zum Einsatz kommen für diese Aufgabe insbesondere die Werkstoffe Aluminiumoxid, eines der am häufigsten verwendeten technischen Keramiken, und Cordierit, ein Magnesium-Aluminium-Silikat. Je höher deren Reinheit, desto besser erfüllen sie die beschriebenen Anforderungen. Der leistungsfähige Keramikwerkstoff Cordierit verbindet eine sehr niedrige Wärmeausdehnung und besondere mechanische Eigenschaften mit geringem Gewicht. Im Vergleich zu Glas weist er eine etwa 70 Prozent geringere Masse auf. Für den Einsatz in Massenspektrometern stehen hier thermische und mechanische Charakteristika verbunden mit seinen elektrischen Isolationseigenschaften im Vordergrund. Hier spielt Materialreinheit eine große Rolle. Und bei der Fertigung von Quadrupol-Halterungen (s. Bild) gemäß den Spezifikationen von Massenspektrometer-Herstellern müssen minimale Toleranzen eingehalten werden.

Die in Quadrupol-Massenspektrometern eingesetzten Trägergehäuse müssen eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen. Die sehr guten Isolationseigenschaften keramischer Werkstoffe vermeiden unerwünschte Leckströme sowie elektrische Störungen. Eine geringe Materialqualität könnte zusätzliche elektrische Felder und Kopplungseffekte bewirken, was eine schlechtere Energieübertragung und eine unerwünschte Erwärmung der Quadrupol-Stäbe zur Folge hätte.

Ein weiterer kritischer Aspekt ist der elektrische Verlustfaktor. Dieser muss möglichst gering sein, damit die Hochfrequenzspannungen effizient an die Quadrupol-Elektroden übertragen werden. Ein niedriger Verlustfaktor trägt außerdem dazu bei, unerwünschte Erwärmung und Energieverluste innerhalb des Systems zu vermeiden und damit wiederum die Leistung und Stabilität eines Massenspektrometers zu verbessern. Nur Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante und niedrigem Verlustfaktor ermöglichen eine präzise Steuerung des elektrischen Feldes und somit eine zuverlässige Ionenführung.

Ebenso wichtig ist die mechanische Stabilität, um den beim Betrieb des Massenspektrometers auftretenden Vibrationen und strukturellen Belastungen standzuhalten. Auch treten bei der Erzeugung eines Hochvakuums deutliche Temperaturunterschiede auf. Da Hochleistungskeramik eine geringe thermische Ausdehnung aufweist, werden Verformungen oder Rissbildung vermieden.

Quelle: KYOCERA Fineceramics Europe