DE19730896C2 - Ionen-Mobilitätsspektrometer in Zentripetalanordnung - Google Patents
Ionen-Mobilitätsspektrometer in ZentripetalanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ionen-Mobilitätsspektrometer (IMS) mit mindestens einer
Ionenquelle, mindestens einem Schaltgitter, mindestens einer Driftkammer, in der ein
elektrisches Driftfeld vorliegt, und einer zylindrischen Fangelektrode, wobei das Drift
feld in radialer Richtung bezüglich einer Achse verläuft und die Fangelektrode kon
zentrisch zu der Achse angeordnet ist.
Ein solches IMS ist aus der Internationalen Offenlegungsschrift WO 88/05535 A3
bekannt, wo ein IMS offenbart wird, dessen Ionisationskammer, Schaltgitter, Drift
kammer und Fangelektrode im wesentlichen eine Rotationssymmetrie aufweisen.
IMS umfassen üblicherweise eine meist radioaktive Ionenquelle, die innerhalb eines
Ionisationsraums des IMS Moleküle eines Probengases ionisiert. Über ein periodisch
kurzzeitig geöffnetes Schaltgitter gelangen Ionenpakete in einen Driftraum des IMS,
wo sie im allgemeinen über entlang eines röhrenförmigen Driftraums angeordnete
Ringelektroden durch ein axiales elektrisches Feld transportiert werden. Letztlich
gelangen sie am entgegengesetzten Ende des Driftraums auf eine Fangelektrode,
wo sie einen Strom erzeugen, der verstärkt und gemessen wird. Da schwerere Ionen
weniger beweglich sind als leichte, werden sie eine längere Driftzeit benötigen. D. h.
die leichteren Ionen des ursprünglichen Ionenpakets treffen zuerst ein und die
schwersten zuletzt. Nach dem pulsartigen Öffnen des Schaltgitters wird der Strom an
der Fangelektrode als Funktion der Zeit gemessen. Die Stromstärke zu einem gege
benen Zeitpunkt ist dabei ein Maß für die Konzentration von Ionen einer bestimmten
Art. Die Driftzeit und die mit ihr verbundene Beweglichkeit ist dann ein Maß für die
jeweilige Masse der Ionen.
Aus der Druckschrift US-PS 48 55 595, insbesondere in der dortigen Fig. 1, sind an
sich feldstützende Elektroden zur Formung des elektrischen Driftfeldes eines IMS
bekannt.
In Verbindung mit angestrebten Miniaturisierungen ergibt sich das Problem, daß mit
der Verkleinerung der Lineardimensionen des IMS sich auch die aktive Oberfläche
der Ionenquelle und die Ausdehnung des Ionisationsraums reduziert, was wiederum
aufgrund der geringeren Anzahl erzeugter Ionen die Empfindlichkeit verringert.
Das IMS der eingangs zitierten Schrift strebt gegenüber den linearen IMS eine ver
besserte Empfindlichkeit an, die durch Vergrößerung der Fangelektrode bei unver
änderter Ionenquelle erreicht werden soll. Zu diesem Zweck wurde eine Zylinder
geometrie mit außenliegender Fangelektrode gewählt. Dieses IMS hat u. a. den
Nachteil, daß das elektrische Driftfeld radial nach außen abfällt, d. h. entgegen der
etablierten Erfahrung unmittelbar vor der Fangelektrode am niedrigsten ist, was zu
erhöhten Ionenverlusten durch Diffusion führt. Das hier vorgestellte IMS befaßt sich
nicht mit der Problematik einer Miniaturisierung und liefert auch keinerlei Hinweise in
dieser Richtung.
Es besteht daher der Bedarf nach einem IMS mit gesteigerter Empfindlichkeit.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß von der Achse in radialer Richtung ausgehend
auf die Fangelektrode die Driftkammern folgen, die an ihrer radialen Außenseite von
den Schaltgittern begrenzt werden, und daß in radialer Richtung außerhalb der
Schaltgitter die Ionenquellen liegen.
Dadurch, daß die Driftfelder auf eine zentrale Fangelektrode gerichtet sind, nimmt in
der Regel die elektrische Feldstärke bei Annäherung an die Fangelektrode zu und
die in Verbindung mit der eingangs genannten WO 88/05535 A3 genannten Nach
teile werden vermieden. Es lassen sich auch bei reduzierten Dimensionen mehrere
Ionenquellen simultan einsetzen oder an der Peripherie des IMS eine ausgedehnte
Quelle. Dadurch kann die Empfindlichkeit gehalten oder gar gesteigert werden. Es
können mehrere im Grunde einzelne IMS mit eigenen Ionenquellen, Schaltgittern
und Drifträumen kombiniert werden, die eine gemeinsame Fangelektrode benutzen,
wobei diese im wesentlichen punktförmig gestaltet sein kann, so daß die einzelnen
Driftstrecken dreidimensional "sternförmig" auf die gemeinsame Fangelektrode "zie
len". Alle Driftstrecken sind dabei gleich lang. Bevorzugt ist jedoch, daß die gemein
same Fangelektrode um eine Achse angeordnet ist. Auch dann können die einzelnen
Driftstrecken noch axial gegeneinander versetzt sein. Besonders bevorzugt ist je
doch, daß sie alle im wesentlichen in einer Ebene liegen und in der Ebene sternför
mig auf die Fangelektrode gerichtet sind.
Vorzugsweise weist das IMS im wesentlichen eine n-zählige Symmetrie bezüglich
einer Achse auf mit 2 ≦ n ≦ ∞. Dies ist bei optimaler Ausnutzung des Raumes eine
fertigungstechnisch einfache Anordnung.
Besonders bevorzugt sind IMS, bei denen es keine diskreten einzelnen Driftstrecken
mehr gibt, sondern die bezüglich einer Achse im wesentlichen Rotationssymmetrie
aufweisen. Dadurch können auch die einzelnen Schaltgitter entfallen, die Konstrukti
on wird weiter vereinfacht und der im wesentlichen in einer Ebene zur Verfügung
stehende Raum wird optimal genutzt. Daher weist vorzugsweise auch ein einziges
Schaltgitter im wesentlichen Rotationssymmetrie auf.
Besonders an die Erfordernisse und Möglichkeiten der Mikrostrukturtechnik
angepaßt sind im wesentlichen planare oder scheibenförmige Ausführungs
formen, bei denen die axiale Ausdehnung sehr viel kleiner als die radiale
Ausdehnung ist, insbesondere mit einem Verhältnis kleiner als 1 : 5.
In vorteilhafter Weise sind in den Drifträumen oder dem Driftraum feldstüt
zende Elektroden zur Formung des elektrischen Driftfeldes
vorgesehen. Dadurch kann innerhalb des Driftbereichs ein gewünschter Ver
lauf des elektrischen Driftfeldes in weiten Grenzen vorgegeben und einge
prägt werden. In den Ausführungsformen mit separaten einzelnen Driftstrec
ken können die feldstützenden Elektroden als übliche Feldstützringe ausge
führt sein oder auch als kontinuierliche hochohmige Beschichtung der einzel
nen Driftröhren.
Bei den rotationssymmetrischen Ausführungsformen mit nur einem gemein
samen Driftraum sind die feldstützenden Elektroden konzen
trisch zur Achse angeordnet. Sie bestehen jeweils aus zwei axial gegenein
ander versetzten Ringen auf gleichem Potential, die für ihren jeweiligen radia
len Abstand von der Achse ein definiertes Zwischenpotential festlegen. Durch
einen entsprechenden Hochspannungsteiler kann damit der radiale Verlauf
des elektrischen Driftfeldes bestimmt und gehalten werden. Diese definierten
Verhältnisse bringen große Stabilitätsvorteile. Beispielsweise ist in der in der
WO 88/5535 A3 beschriebenen Anordnung die aktuelle Feldverteilung im
dortigen Driftraum (zwischen R1 und R3) schlecht definiert und wird stark
durch die Ladungen der driftenden Ionenwolke verzerrt werden.
Bei der Erfindung können mehrere unterschiedliche Ionen
quellen vorgesehen sein. Dadurch kann die Palette der nachzuweisenden Sub
stanzen vergrößert werden. Auch bei unterschiedlichen Quellen wären jedoch
die Längen der einzelnen Driftstrecken nach wie vor identisch. Als Quellen
kommen radioaktive Alpha- und Betastrahler, Korona-Entladungen oder Be
strahlung mit VUV-Lampen in Frage.
Alternativ ist eine Vielzahl von gleichen Ionenquellen vorgesehen. Dadurch
kann die Empfindlichkeit im wesentlichen proportional zur Anzahl dieser
Quellen erhöht werden.
Es kann auch eine einzige rotationssymmetrische Ionenquelle
vorgesehen sein, von der aus die Driftstrecke nach einem ebenfalls rotationssym
metrischen Schaltgitter konzentrisch auf die Fangelektrode hin verläuft.
Die Quelle kann beispielsweise ein bandförmig angeordneter radioaktiver
Strahler sein oder als nicht-radioaktive Quelle ein kreisförmiger, isolierter und
auf Hochspannung gelegter Koronadraht. Ebenfalls möglich ist eine Oberflä
chenionisationsquelle, wie sie z. B. in der US-PS 4,994,748 beschrieben ist
mit bandförmigem Aufbau.
Vorzugsweise ist mindestens eine Ionenquelle eine radioaktive Quelle. Ra
dioaktive Quellen benötigen keine externe Energie.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das IMS im wesentli
chen Scheibenform auf mit senkrecht zur Achse gerichteten Deck- und Bo
denplatten, die mit Methoden der Mikrostrukturtechnik hergestellt sind. Diese
Bauform ist besonders für die Miniaturisierung und die Integration in ebenfalls
miniaturisierte Apparaturen geeignet.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Dreidimensionale, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer ersten
Ausführungsform eines Ionen-Mobilitätsspektrometers nach der Er
findung;
Fig. 2: Dreidimensionale, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer zwei
ten Ausführungsform eines Ionen-Mobilitätsspektrometers nach der
Erfindung; oben: mit abgehobener Deckplatte.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein IMS 101 mit einer Fangelektrode 5, die eine
Achse 6 unmittelbar umgibt. Bei axial sehr kurzer Baulänge kann die Fange
lektrode 5 auch als "punktförmig" angesehen werden. Sie definiert dann ein
Symmetriezentrum der Anordnung. Auf die zentrale gemeinsame Fangelek
trode 5 zeigen im Ausführungsbeispiel drei separate, im wesentlichen in einer
Ebene senkrecht zur Achse 6 angeordnete, um 120 Grad versetzte gleiche
Meßzellen 10 jeweils bestehend aus einem Driftraum 4 mit Feldstützringen 7,
einem Schaltgitter 3 und einer Ionenquelle 2.
In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Meßzellen variieren, sie
müssen auch nicht in einer Ebene angeordnet sein, sondern können dreidi
mensional sternförmig auf die im wesentlichen punktförmige Fangelektrode
zielen. Die Anordnung kann auch von der axialen Symmetrie abweichen, d. h.
die Meßzellen können in der Ebene beliebige Winkel einschließen. Bei axial
ausgedehnter Fangelektrode können die Meßzellen auch axial gegeneinan
der versetzt sein.
Die Ionenquellen 2 des Ausführungsbeispiels können identisch sein. Dann
werden sie vorzugsweise gleichzeitig parallel betrieben, d. h. alle Schaltgitter 3
werden synchron geöffnet und geschlossen.
Die Ionenquellen 2 des Ausführungsbeispiels können aber auch verschieden
sein. Dann werden sie vorzugsweise zeitlich nacheinander betrieben, d. h. die
Schaltgitter 3 der verschiedenen Meßzellen werden zeitversetzt geöffnet und
geschlossen, da die mit den unterschiedlichen Meßzellen gewonnenen
Spektren unterschiedliche Information enthalten.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das IMS
101 näherungsweise Scheibenform hat. Die einzelnen Meßzellen der Fig. 1
sind zu einer einzigen, rotationssymmetrischen zusammengefaßt. Im Zentrum
der Anordnung umgibt wieder eine Fangelektrode 105 die Symmetrieachse
106 des Geräts. Der einzige Driftraum 104 hat die Form eines sehr kurzen
Hohlzylinders. Auf der Innenseite seiner Deck- 108 und Bodenfläche 109 sind
konzentrischen Feldformringe 107 angebracht in Form von Ringpaaren, wo
bei entsprechende Ringe auf der Deck- 108 und Bodenplatte 109 auf dem
selben Potential liegen. Der Driftraum 104 ist radial nach außen von einem
rotationssymmetrischen Schaltgitter 103 begrenzt oder von einer auf einem
Kreiszylinder angeordneten Serie von vielen Schaltgittern, die jedoch immer
auf demselben Potential liegen, d. h. im Gleichtakt betrieben werden. Radial
außerhalb des Schaltgitters 103 befindet sich eine rotationssymmetrische Io
nenquelle 102. Auch sie kann, analog zu dem Schaltgitter 103 durch eine An
ordnung identischer Einzelquellen ersetzt sein. Ohne die Feldformringe 107
würde das elektrische Feld im Driftraum 104 näherungsweise wie 1/r2 abfal
len. Durch die Feldformringe 107 kann jedoch z. B. ein hinreichend konstantes
elektrisches Radialfeld im Driftraum 104 erzeugt werden. Allgemein kann
durch Einstellen der Potentiale an den Ringpaaren 107 nahezu jeder ge
wünschte Potentialverlauf zwischen den Grenzpotentialen eingestellt werden.
Die Feldformringpaare 107 können auch durch eine entsprechende kontinu
ierliche hochohmige Beschichtung der Deck- 108 und Bodenfläche 109 er
setzt sein. Die Schichten sind vorzugsweise homogen, können aber auch
strukturiert sein, wobei jedoch Rotationssymmetrie eingehalten wird.
Claims (10)
1. Ionen-Mobilitätsspektrometer (IMS) mit mindestens einer Ionenquelle, minde
stens einem Schaltgitter, mindestens einer Driftkammer, in der ein elektrisches
Driftfeld vorliegt, und einer zylindrischen Fangelektrode, wobei das Driftfeld in
radialer Richtung bezüglich einer Achse verläuft und die Fangelektrode kon
zentrisch zu der Achse angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß von der Achse in radialer Richtung ausgehend
auf die Fangelektrode die Driftkammern folgen, die an ihrer radialen Außen
seite von den Schaltgittern begrenzt werden, und daß in radialer Richtung au
ßerhalb der Schaltgitter die Ionenquellen liegen.
2. IMS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine n-zählige Sym
metrie bezüglich der Achse (6; 106) aufweist mit 2 ≦ n ≦ ∞ .
3. IMS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bezüglich der Achse
(106) Rotationssymmetrie aufweist.
4. IMS nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Driftraum (104) rota
tionssymmetrisch ist.
5. IMS nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgitter
(103) rotationssymmetrisch ist.
6. IMS nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine
axiale Ausdehnung sehr viel kleiner als seine radiale Ausdehnung ist, insbe
sondere mit einem Verhältnis kleiner als 1 : 5.
7. IMS nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in
den Drifträumen (4) oder dem Driftraum (104) feldstützende Elektroden (7,
107) zur Formung des elektrischen Driftfeldes vorgesehen sind.
8. IMS nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine
rotationssymmetrische Ionenquelle (102) vorgesehen ist.
9. IMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Ionenquelle (2; 102) eine radioaktive Quelle ist.
10. IMS nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es im
wesentlichen Scheibenform aufweist mit senkrecht zur Achse (106) gerichte
ten Deck- (108) und Bodenplatten (109).
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