DE10120335C2 - Ionenmobilitätsspektrometer mit nicht-radioaktiver Ionenquelle - Google Patents
Ionenmobilitätsspektrometer mit nicht-radioaktiver IonenquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit einer
evakuierten Elektronenquellenkammer, die eine nicht-radioaktive
Elektronenquelle enthält, die an den negativen Pol einer Beschleunigungs
spannungsquelle angeschlossen ist, sowie eine Röntgenan
ode enthält, die mit dem positiven Pol der Beschleunigungsspannungsquelle
verbunden ist, derart, in der Röntgenanode durch auftreffende
Elektronen erzeugte Röntgenstrahlung durch ein gasdichtes und für
die Elektronen der Elektronenquelle undurchlässiges Röntgenfenster
in eine angrenzende Reaktionskammer des IMS gelangt, wobei das
Röntgenfenster durch ein Stützgitter mechanisch stabilisiert ist.
Ein derartiges IMS ist bekannt aus der deutschen
Patentschrift DE 199 33 650 C1, auf die hiermit vollinhaltlich bezug
genommen wird.
Durch die Anwesenheit des Stützgitters kann das Röntgenfenster
dünner sein und/oder einen größeren nutzbaren Durchmesser auf
weisen. Im Stand der Technik ist das Stützgitter auf der Vakuumseite
angebracht und hält das Fenster sicher gegen den Überdruck der
Atmosphärenseite, die ja das Röntgenfenster gegen das stabile
Stützgitter presst. Insofern erscheint es auf den ersten Blick eindeu
tig, dass das Gitter auf dieser Seite angebracht wird. Allenfalls
könnte man daran denken, sicherheitshalber auf beiden Seiten ein
Stützgitter anzubringen, wobei jedoch die Stützfunktion auch in die
sem Fall vom vakuumseitigen Gitter erbracht werden würde.
Es besteht der Bedarf, ein IMS mit nicht-radioaktiver Quelle so zu
gestalten, dass die in der DE 199 33 650 C1 beschriebenen Ionisati
onsmechanismen mit möglichst geringem Energieaufwand optimal
ausgenutzt werden.
Die Aufgabe wird überraschenderweise dadurch gelöst, dass das
Stützgitter nicht vakuumseitig sondern reaktionskammerseitig ange
bracht wird und dass eine feste, metallische Verbindung zwischen
dem Stützgitter und dem Röntgenfenster hergestellt wird.
Durch diese mechanisch feste Verbindung wird das Röntgenfenster
durch das Stützgitter ebenfalls auch bei verringerter Dicke sicher
gehalten. Es gelangen keine Elektronen aus der Elektronenquelle
auf das Stützgitter und lösen dort u. U. unerwünschte Bremsstrahlung
aus. Andererseits gelangt durch das Fenster Röntgenstrahlung auf
das Stützgitter und erzeugt ggf. erwünschte Photoelektronen zur Io
nisation im Reaktionsraum.
Das Röntgenfenster besteht vorzugsweise aus Beryllium, insbeson
dere mit einer Dicke zwischen 5 µm und 50 µm und einem effektiven
Durchmesser zwischen 3 mm und 20 mm. Das Metall Beryllium wird
wegen seiner geringen Ordnungszahl traditionell als Fenstermaterial
im Röntgenbereich eingesetzt. Bei den angegebenen Dicken bzw.
Durchmessern ist eine mechanische Stabilität bei einem Druckunter
schied von etwa einem Bar ohne Stützgitter bereits gefährdet.
In einer Ausführungsform ist die Anode im Elektronenquellenraum im
Abstand vom Röntgenfenster angeordnet vorzugsweise derart, dass
keine von der Elektronenquelle ausgehenden Elektronen das Rönt
genfenster erreichen. Dies leistet beispielsweise eine Anordnung, bei
der die Elektronen in Näherung parallel zur Trennwand auf die An
ode beschleunigt werden, wo sie etwa unter 45° auftreffen und
Röntgenstrahlung erzeugen (charakteristische Strahlung und/oder
Bremsstrahlung). Nur die Röntgenstrahlung trifft auf das Röntgen
fenster, das damit nicht durch Elektronen belastet wird.
Alternativ kann aber auch die Röntgenanode vakuumseitig als dünne
Schicht von weniger als 500 nm auf das Röntgenfenster aufge
bracht sein, wodurch von der Elektronenquelle her auftreffende
Elektronen in dieser Metallschicht abgebremst werden und Röntgen
strahlung erzeugen, die auf der Gegenseite in das Röntgenfenster
eintritt und dieses durchdringt. Die Metallschicht ist dabei vorzugs
weise so dick, dass sie mindestens 7 Halbwertsdicken der von der
Elektronenquelle eindringenden Elektronen umfasst, so dass prak
tisch keine Elektronen direkt das Röntgenfenster erreichen und die
thermische Belastung durch die Leitfähigkeit der Metallschicht be
reits deutlich gemildert ist. Andererseits sollte jedoch die Metall
schicht so dünn sein, dass sie höchstens 2 Halbwertsdicken der er
zeugten Röntgenstrahlung umfasst. Dadurch ist sichergestellt, dass
noch hinreichend intensive Röntgenstrahlung durch das Röntgen
fenster in die Reaktionskammer eindringt. Bei dieser Ausführungs
form stört das Stützgitter auf der anderen Fensterseite nicht die dann
wesentlich einfachere Beschichtung mit dem Anodenmaterial.
Das Anodenmaterial kann Metalle mit hoher Ordnungszahl umfas
sen, z. B. Wolfram, Gold, etc.. Dabei wird vorwiegend die Brems
strahlung ausgenutzt. Es können jedoch auch leichte Elemente ver
wendet werden, z. B. Aluminium oder Magnesium, deren charakteri
stische Strahlung in einem recht günstigen Bereich liegt, so dass die
Ionisierung der Luftbestandteile in der Reaktionskammer, vorwie
gend Stickstoff und Sauerstoff, über ihre K-Schale bei etwa 400 bis
500 eV mit großem Wirkungsquerschnitt erfolgt.
Die Beschleunigungsspannung ist vorzugsweise kleiner als 5 kV.
Diese Energien reichen aus, um Röntgenstrahlung zu erzeugen, die
das Fenster durchdringt und in der Reaktionskammer in der Lage ist,
entweder direkt oder über Photoelektronen (siehe DE 199 33 650 C1)
zu ionisieren. Die Reichweite in Luft bei Atmosphärendruck ist
weitgehend an die geometrischen Dimensionen der Reaktionskam
mer (Zentimeterbereich) angepasst. Weiterhin sind entsprechende
Spannungen noch leicht und ohne extreme Sicherheitsvorkehrungen
zu handhaben.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
und der beigefügten Zeichnung. Die Erfindung wird im folgenden
anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und Zeich
nung zu entnehmenden Merkmale können auch bei anderen Ausfüh
rungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in be
liebigen Kombinationen Anwendung finden. Auf die eingangs ge
nannte Patentschrift DE 199 33 650 C1 wird nochmals ausdrücklich
vollinhaltlich bezug genommen. Insbesondere dienen die dortige
ausführliche Beschreibung sowie die Zeichnungen und Tabellen
auch dem Verständnis der vorliegenden Erfindung. Details der dorti
gen Ausführungsbeispiele lassen sich auf die vorliegende Erfindung
übertragen.
Es zeigt:
Fig. 1 schematischer Aufbau eines IMS nach der Erfindung;
Fig. 2 schematische Detailzeichnung des Röntgenfensterbe
reichs des IMS nach Fig. 1.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 schematisch (nicht maßstäblich) den Auf
bau eines IMS 1 mit einer evakuierten Elektronenquellenkammer 2
und einer angrenzenden Reaktionskammer 7, an die sich nach ei
nem Schaltgitter 22 eine Driftkammer 23 anschließt, an deren Ende
sich ein Ionendetektor 21 befindet. Elektronenquellenkammer 2 und
Reaktionskammer 7 sind durch ein vakuumdichtes Röntgenfenster 6
aus Beryllium mit einer Dicke von 10 µm und einem freien Durch
messer von 10 mm getrennt. Auf der Vakuumseite ist das Röntgen
fenster 6 mit einer 100 nm dicken Aluminiumschicht 5 bedampft, die
als Anode dient. Reaktionskammerseitig wird es durch ein waben
förmiges Stützgitter 20 aus Nickel gehalten. Die Maschenweite liegt
bei 300 µm, die Transparenz bei 80% und die Dicke bei 50 µm. Das
Nickelgitter 20 ist galvanisch auf das Berylliumfenster 6 aufgewach
sen und damit fest mit diesem verbunden. Die Elektronenquellen
kammer 2 hat ein Edelstahlgehäuse 19. In ihr befindet sich als nicht-
radioaktive Elektronenquelle eine Glühkathode 3, die über isolierte,
vakuumdichte Durchführungen (nicht gezeigt) an eine variable, elek
tronisch ansteuerbare Heizspannungsquelle 24 angeschlossen ist.
Zwischen der Anode 5 und der Heizspannungsquelle 24 liegt im Be
trieb eine Beschleunigungsspannung 4 von 1,8 kV. Zwischen der
Glühkathode 3 und der Anode 5 befindet sich eine Steuerelektrode 8
in Form eines Wehnelt-Zylinders. Zwischen der Steuerelektrode 8
und der Heizspannungsquelle 24 liegt eine Spannungsquelle 10. Die
Steuerelektrodenspannung wird über eine isolierte Durchführung 27
zugeführt und ist zwischen -5 und -50 V regelbar. Die Länge der
Elektronenquellenkammer 2 liegt bei 50 mm, ihr Außendurchmesser
bei 20 mm.
Fig. 2 zeigt etwas detaillierter (aber nicht maßstäblich) eine Ausfüh
rungsform eines 10 µm dicken Berylliumfensters 6 mit vakuumseitig
aufgedampfter Aluminiumanode 5 von 100 nm Dicke und einem 50 µm
dicken wabenförmigen Nickelstützgitter 20 auf der Seite der Re
aktionskammer 7 mit etwa 80% Transmission. Das Nickelstützgitter
20 ist auf dem Berylliumfenster 6 galvanisch aufgewachsen. Im
Randbereich ist es mit einer ringförmigen Edelstahlscheibe 28 ver
lötet. Das Sandwich aus Anode 5, Fenster 6, Stützgitter 20 und
Edelstahlring 28 ist in eine entsprechende Halterung des Röntgen
fensters in der zu diesem Zweck durchbrochenen Trennwand zwi
schen Reaktionsraum 7 und Elektronenquellenraum 2 eingesetzt
und mechanisch fest und vakuumdicht eingelötet.
Claims (6)
1. Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit einer evakuierten
Elektronenquellenkammer, die eine nicht-radioaktive Elektro
nenquelle enthält, die an den negativen Pol einer Beschleunigungs
spannungsquelle, angeschlossen ist, sowie eine Rönt
genanode enthält, die mit dem positiven Pol der Beschleunigungs
spannungsquelle verbunden ist, derart, dass in der Rönt
genanode durch auftreffende Elektronen erzeugte Röntgen
strahlung durch ein gasdichtes und für die Elektronen der
Elektronenquelle undurchlässiges Röntgenfenster in eine an
grenzende Reaktionskammer des IMS gelangt, wobei das
Röntgenfenster durch ein Stützgitter mechanisch stabilisiert
ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stützgitter reaktionskammerseitig angebracht ist und
dass eine feste, metallische Verbindung zwischen dem Stütz
gitter und dem Röntgenfenster hergestellt ist.
2. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass das Gehäuse des Elektronenquellen
raums vorwiegend aus Metall, insbesondere aus Edelstahl
besteht.
3. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass das Röntgenfenster aus Beryllium, insbe
sondere mit einer Dicke zwischen 5 µm und 50 µm und einem
effektiven Durchmesser zwischen 3 mm und 20 mm besteht.
4. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Anode im Elektronenquellenraum im
Abstand vom Röntgenfenster angeordnet ist.
5. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Anode vakuumseitig als dünne Schicht
von weniger als 500 nm auf das Röntgenfenster aufgebracht
ist.
6. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Beschleunigungsspannung kleiner als
5 kV ist.
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