DE69223878T2

DE69223878T2 - Ionenbeweglichkeitspektrometer

Info

Publication number: DE69223878T2
Application number: DE69223878T
Authority: DE
Inventors: Govindanunny Thekkadath
Original assignee: CPAD Holdings Ltd
Current assignee: CPAD Holdings Ltd
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-21
Also published as: DE69223878D1; ATE161957T1; CA2076507A1; EP0528426B1; CA2076507C; EP0528426A1; US5189301A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer und insbesondere ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer, welches eine erhöhte Empfindlichkeit sowie einen kompakten und einfachen Aufbau besitzt.
Das (mit IMS abgekürzte) Ionenbeweglichkeitsmassenspektrometer ist ein elektrostatisches Analyseinstrument, welches Ionen abhängig von deren Beweglichkeit trennt. Ein typisches Spektrometer, wie beispielsweise das in Fig. 1 gezeigte Gerät nach dem Stand der Technik, weist zwei aneinandergrenzende zylinderförmige Bereiche auf, die als Reaktionsbereich bzw. Driftbereich bezeichnet und mit einem gleichmäßigen Sauerstoffoder Luftfluß, gewöhnlich unter Atmosphärendruck, beaufschlagt werden. Die in dem Reaktionsbereich des Spektrometers erzeugten Ionen werden impulsartig in den Driftbereich eingeführt. Dort werden sie einem gleichmäßigen axialen elektrischen Feld von ca. 300V/cm ausgesetzt, wodurch sie abhängig von ihrer Beweglichkeit in dem Umgebungsgas mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten befördert werden, so daß sie bezühlich ihrer Beweglichkeit getrennt werden. Die Driftgeschwindigkeit Vd der Ionen kann durch die in den Formeln (1) und (2) angegebenen Zusammenhänge ausgedrückt werden:
Vd = KE (1)
K = Ko (T/273)(760/P) (2)
Dabei bezeichnet E das elektrische Feld, welchem die Ionen ausgesetzt sind, T die absolute Temperatur und P den Druck des Driftgases in Torr. Die Proportionalitätskonstante K wird als Ionenbeweglichkeit bezeichnet. Die reduzierte Beweglichkeit Ko berücksichtigt Schwankungen der Beweglichkeit aufgrund von Temperatur- und Druckänderungen. Nachdem die Ionen das Ende des Driftbereichs erreicht haben, treffen sie auf eine Metallplatte, die mit einem Ladungsverstärker verbunden ist, welcher ein zu der Anzahl der von der Metallplatte gesammelten Ionen proportionales Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Verstärkers besteht aus einer Folge von zeitlich getrennt auftretenden Spannungsspitzen, wobei jede Spitze Ionen einer bestimmten Beweglichkeit entspricht.
Der Reaktionsbereich weist ein schwächeres axiales elektrisches Feld von ca. 200V/cm auf. Die Reaktionsmoleküle werden in dem Reaktionsbereich mit Hilfe einer Elektronenquelle, gewöhnlich mit Hilfe eines Betastrahlenemitters, wie z.B. &sup6;³Ni, ionisiert. Die somit erzeugten Ionen driften zu dem Ende des Reaktionsbereiches hin, wo ein als Neilson-Bradbury-Shutter bezeichneter elektrostatischer Shutter 22 verwendet wird, um die Ionen impulsartig in den Driftbereich einzufuhren. In seiner geschlossenen Stellung kann der Shutter ein elektrisches Feld erzeugen, welches quer zu der Bewegungsrichtung der Ionen verläuft. Dadurch werden die Ionen aus der Achse abgelenkt und neutralisiert, so daß ein Eindringen der Ionen in den Driftbereich verhindert wird. Der Shutter ist geöffnet, wenn das querverlaufende elektrische Feld entfernt wird. Dies wird normalerweise dadurch erreicht, daß die abwechselnd verlaufenden Drähte der Gitterstruktur des Shutters kurzgeschlossen werden. Durch das Entfernen des querverlaufenden elektrischen Felds können die Ionen in den Driftbereich gelangen. Typischerweise wird der Shutter alle 20 Millisekunden flir eine Dauer von 200 Mikrosekunden geöffnet.
Die Größe des in Fig. 1 gezeigten IMS 10 nach dem Stand der Technik kann zwischen klein (die Größe eines Quaters) und groß (ca. 15cm lang und mit einem Durchmesser von 3cm) variieren, wobei jedoch allen Größen einige Eigenschaften gemeinsam sind. Bei allen Größen wird versucht, in dem Driftbereich 12 ein einheitliches elektrisches Feld zu erzeugen. Dies wird normalerweise dadurch erzielt, daß eine Folge von ringförmigen Elektroden 14 mit einer konstanten Potentialdifferenz zwischen den Elektroden verwendet wird. Bei einigen Aufbauten wird dasselbe Ergebnis durch die Verwendung einer Widerstandsschicht innerhalb der Driftröhre erzielt, wobei die Spannung in Längsrichtung dieser Schicht angelegt ist. Ein weiteres gemeinsames Merkmal besteht in der Erzeugung eines starken elektrischen Felds in der Nähe der Detektorplatte 16 mit Hilfe eines sehr nahe zu der Detektorplatte angeordneten (und als Aperturgitter bezeichneten) Gitters 18. Dadurch wird die Auflösung und somit die Empfindlichkeit des Instruments verbessert, da die effektive Eingangskapazität des Detektors verringert wird. Der Reaktionsbereich 20 weist ebenso eine oder zwei ringförmige Elektroden 14 auf, um für den Transport der Ionen zu dem Shutterbereich hin ein elektrisches Feld zu erzeugen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Probegas gewöhnlich bei 24 eingeflihrt, wobei das Driftgas in den Driftbereich 12 von dem Detektorende 26 her ein- und am reaktionsseitigen Ende austritt. Bei einem anderen bekannten IMS-Aufbau wird das Probegas mit dem Driftgas gemischt und beide Gase vom Detektorende her zu- und am reaktionsseitigen Ende 28 abgeführt. Alle Aufbauten wenden dieselbe Art der Ionenzufuhr in den Driftbereich an, wobei der Neilson-Bradbury-Shutter 22 wie oben beschrieben verwendet wird. Bei den meisten Aufbauten wird eine Nickelquelle 30 zur Erzeugung der Elektronen und Ionen in dem Reaktionsbereich verwendet. Die Elektronen und Ionen können auch mit Hilfe von Wärmequellen, UV-Quellen, Lasern oder Koronaionisierungsquellen erzeugt werden.
Obwohl das IMS-Prinzip einfach ist, haben die patentierten oder in der Literatur beschriebenen vorhandenen Ausgestaltugnen diese Einfachheit in der Praxis nicht vollständig realisiert. Demzufolge verhindern hohe Herstellungskosten, daß das IMS als ein Massenprodukt hergestellt werden kann, welches für eine Vielzahl von Überwachungsanwendungen verwendet werden könnte.
Ein weiterer Nachteil der bekannten IMS-Aufbauten ist die Nähe des Aperturgitters zu dem Detektor, da sich herausgestellt hat, daß dadurch das Rauschen infolge von durch die Kapazität der Apertur/Detektorplattenkombination verursachten Mikrophoneffekten verstärkt wird. Zudem kommt es durch die Kollision der Ionen mit dem Aperturgitter zu einem Signalverlust. Des weitern wird die Signalanstiegszeit wegen der erhöhten Kapzität arn Detektor verlängert, was eine geringere Amplitude der empfangenen Signale und eine geringere Instrumentenauflösung zu Folge hat.
Aus der EP-A-0 026 683 ist ein IMS nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt, wobei das Gehäuse des IMS die durch ein Gitter getrennten Reaktions- und Driftbereiche umfaßt. An den Driftbereich wird ein konstantes elektrisches Feld angelegt.
Angesichts der zuvor beschriebenen Beschränkungen der bekannten IMS-Ausgestaltungen wäre ein IMS mit einem einfacheren Aufbau und erhöhter Empfindlichkeit äußerst wünschenswert. Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses Bedürfnis zu erfüllen, indem ein IMS bereitgestellt wird, welches kompakter ist, einfacher herstellbar ist, weniger Bestandteile aufweist und billiger zu fertigen ist. Diese Aufgabe wird durch ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 gelöst.
Der IMS-Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Verglichen mit dem Aufbau nach dem Stand der Technik sind die folgenden Hauptveränderungen vorgesehen:
1. Das Nichtvorhandensein einer Mehrelementenelektrodenkonstruktion für den Aufbau der Drift- und Reaktionskammern, und insbesondere das Nichtvorhandensein eines gleichmäßigen elektrischen Felds in dem Driftbereich,
2. das Nichtvorhandensein eines Aperturgitters vor dem Detektor, um die Auflösung und Empfindlichkeit zu erhöhen, und
3. das Nichtvorhandensein eines Reaktionsbereichs wie bei herkömmlichen IMS- Aufbauten.
Diese Vereinfachungen verringern im Vergleich zu den früheren IMS-Aufbauten die Auflösung oder Empfindlichkeit des Instruments. Bei dem IMS-Aufbau der vorliegenden Erfindung wird die Empfindlichkeit wegen des kleinen Probegasvolumens und der kurzen Durchlaufzeiten der Ionen um ein Mehrfaches erhöht, und die IMS-Auflösung ist verbessert.
Das in Fig. 2 gezeigte vereinfachte IMS 40 besteht im wesentlichen aus zwei Hochspannungselektroden E1 und E2, einer Masseelektrode, die den Gasbehälter bildet, und einer Detektorhalterung. Die Elektrode E1 ist mit einer Hochspannungsquelle verbunden, wobei die Hochspannung in gepulster Form vorliegen kann.
Die Elektrode E2 wird auf einem konstant hohen Potential gehalten, welches normalerweise nahezu dem Potential der Elektrode E1 entspricht. Das Potential ist derart bemessen, daß in dem Driftbereich ein ungleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt wird, welches - wie nachfolgend noch erläutert wird - verschiedenen Zwecken dient.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau des Ionenbeweglichkeitsspektrometers der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Einzelteilansicht des Ionenbeweglichkeitsspektrometers der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Schaltung, die zum Erzeugen der gepulsten Spannungen an jeder Elektrode verwendet wird.
Fig. 5 zeigt einen Verlauf der an dem Triggereingang und den einzelnen Elektroden der in Fig. 4 gezeigten Schaltung anliegenden Spannungen.
Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung der Stärke des elektrischen Feldes in dem Driftbereich des IMS nach dem Stand der Technik in axialer und radialer Richtung.
Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung der Stärke des elektrischen Feldes in dem Driftbereich des IMS nach der vorliegenden Erfindung in axialer und radialer Richtung.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer dreidimensionalen Einzelteilansicht des IMS 40 der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, besteht das IMS 40 aus einem außeren Behälter 42 aus nichtrostendem Stahl, der auf Massepotential gelegt ist und in dem die Elektroden sowie der Detektor untergebracht sind. Metallkeramische Durchführungen 44, 54 bzw. 46, 56 bilden Hochspannungsverbindungen für die Elektroden E1 und E2. Die Duchführungen 44 und 46 erstrecken sich bis zur Außenseite des Behälters 42 und sind gegenüber dem Behälter isoliert. Der Behälter 42 weist in seinem Ende 41 zur Aufnahme der Hochspannungsverindungs-Durchführungen zwei Löcher 51 und 53 auf. Das Loch 51 nimmt die Durchführung 44 auf, über welche eine hohe Spannung an die Elektrode E1 angelegt wird, während das Loch 53 die Durchführung 46 aufnimmt, über die eine hohe Spannung an die Elektrode E2 angelegt wird. Keramische Isolatoren 54 und 56 isolieren elektrisch die Hochspannungsdurchführungen 44 und 46 gegenüber dem Behälter 42. Die Isolatoren 54 und 56 sind zylinderförmig und besitzen eine Länge, die mindestens so groß wie die Breite des Behälters ist, um einen elektrischen Kurzschluß der Elektroden sicher zu verhindern. Die Löcher 51 und 53 in dem Behälter 42 sind gerade groß genug, um einen Paßsitz der die Durchführungen 44 und 46 tragenden Isolatoren 54 und 56 zu gewährleisten. Zwischen dem Behälter 42 und den Isolatoren 54 und 56 ist eine metallkeramische Abdichtung ausgebildet. Obwohl die Isolatoren 54 und 56 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Keramik gefertigt sind, können andere hochspannungsisolierende Materialien verwendet werden.
An verschiedenen Stellen des Behälters 42 sind zudem Gasanschlüsse zum Zuführen der Probegasmenge und des Driftgases sowie zum Abführen des Driftgases und nicht-gepulster Probegasionen vorgesehen. Ein Gasanschluß 50 stützt ein Probegas-Einlaßror 57 derart, daß sich dieses in das Innere des Behälters 42 erstreckt. Das Probegas-Einlaßrohr 57 dient zum Einführen der Probegasmenge in das IMS. Ebenso stützt ein Gasanschluß 52 ein Auslaßrohr 59, welches sich - wie in Fig. 2 gezeigt ist - in das Innere des Behälters 42 unmittelbar gegenüberliegend zu dem Einlaßrohr 57 erstreckt. Das Auslaßrohr 59 dient zum Abführen der Probegasionen und des Driftgases, so daß diese den Behälter 42 am Anschluß 52 verlassen. Ein Gasanschluß 48 dient als Zufuhr des Driftgases über einen Einlaß 79 in den IMS-Behälter 42. In Fig. 3 ist dieser Gasanschluß neben der Außenkante des Behälterendes 72 dargestellt. Ebenso sind andere Stellen für das Einführen des Driftgases in den Behälter 42 geeignet. Die Gasanschlüsse 48, 50 und 52 sind jeweils leckdicht und vorzugsweise durch Aluminiumringe gefertigt, obwohl auch ähnliche Zusammensetzungen verwendet werden können. Das Probegas-Einlaßrohr 57 und das Probegas-Auslaßrohr 59 sind aus Keramik gefertigt.
Die Elektrode E1 ist in Fig. 3 als eine dünne Platte dargestellt. Sie besteht normalerweise aus nichtrostendem Stahl, obwohl auch Nickel oder Aluminium verwendet werden kann. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Elektrode E1 40mm. Die metallkeramische Hochspannungsdurchführung 44 ist mit der Elektrode E1 an einer Stelle 61 elektrisch verbunden, die sich in der Nähe des Mittelpunkts von E1 befindet. Die Elektrode E1 wird physikalisch von der Durchführung 44 gestützt. In der Elektrode 61 ist ein Loch 62 für den keramischen Isolator 56 und die Hochspannungsdurchführung 46 vorgesehen. Wie bereits zuvor erwähnt worden ist, ist die Hochspannungsdurchführung 46 mit der Elektrode E2 durch den keramischen Isolator 56 und das Loch 62 verbunden. Eine Ionisierquelle, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine &sup6;³Ni-Betaquelle 60 gebildet ist, ist fluchtrecht mit der Oberfläche und am Mittelpunkt der Elektrode E1 angeordnet.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Elektrode E2 becherförmig ausgebildet. Sie ist elektrisch an einer Stelle 65 mit der Durchführung 46 verbunden und wird auch von dieser physikalisch gestützt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche 68 von E2 ca 4mm von E1 beabstandet. Die Länge und der Durchmesser von E2 entsprechen im wesentlichen dem Durchmesser der Elektrode E1, der beim bevorzugten Ausführungsbeispiel 36mm beträgt. Ein Loch 66 ist im wesentlichen im Bereich der Mittelachse der zylinderförmigen Elektrode E2 ausgebildet. Das Loch besitzt einen Durchmesser von ca. 8mm und befindet sich dort, wo ein Gitter 67 angebracht ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die zwischen E1 und E2 erzeugten Ionen können einfach das Gitter 67 passieren, wenn die an E1 und E2 angelegten Spannungen derart gewählt sind, daß sie das Passieren unterstützen. Das Gitter ist vorzugsweise aus nichtrostendem 200mesh-Stahl gefertigt und besitzt einen Durchmesser von ca. 8mm.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, ist ein Detektor 75 entlang der Achse von E1 und E2 mit einem Abstand von 30mm zum Gitter 67 angebracht. Er besteht aus einer Mittelelektrode 70 aus nichtrostendem Stahl, die von einem dünnen Massezylinder 73 (0,3mm dick) derseleben Länge umgeben ist. Die Mittelelektrode besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von lmm, während der Massezylinder 73 einen Innendurchmesser von 2mm aufweist. Eine (nicht gezeigte) metallkeramische Abdichtung trennt die Mittelelektrode 70 und den Massezylinder 73. Die gesamte Detektoranordnung ist in einem Loch 71, welches in dem Ende 72 des Behälter-Grundkörpers 52b ausgebildet ist, befestigt. Der Detektor- Massezylinder 73 des Detektors 75 ist in das Loch 71 eingepaßt und mit Hilfe einer weiteren (nicht gezeigten) metallkeramischen Abdichtung gegenüber dem Behälter- Grundkörper 42b elektrisch isoliert. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Detektor 75 eine Länge von ca. 20mm.
Das IMS 40 kann mit Hilfe von in dem Behälter 42 befindlichen (nicht gezeigten) Heizpatronen erhitzt werden. Die beiden Abschnitte 42 und 42b sind mit Hilfe einer Goldoder Aluminiumabdichtung 77, die in einem Nutabschnitt 78 des Behälters 42 angeordnet ist, miteinander versiegelt. Das IMS kann ebenso dadurch erhitzt werden, daß Heizmittel um den Behälter 42 gewickelt werden. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist das IMS mit Hilfe von (nicht gezeigten) hochwirksamen Hochtemperatur-Isoliermaterialien isoliert.

Betriebstheorie

Das zu testende Probegas wird durch das in Fig. 2 gezeigte Probegas-Einlaßrohr 57 in das IMS 40 eingeführt. Das Probegas-Einlaßrohr 57 besitzt gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 0,5mm. Das Probegas wird in das Probegas Einlaßrohr 57 mit einer Flußrate von ein paar Kubikzentimetern pro Minute eingeführt. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die gewünschte Flußrate 10 Kubikzentimeter pro Minute. Diese Flußrate wird niedrig gehalten, um in dem Ionisierbereich 80 durch Verringerung von Turbulenzen ein möglichst kleines Volumen des Probegases zu erzielen. Dies trägt dazu bei, daß ein hochkonzentriertes Ionenpacket erzeugt werden kann, was wiederum den Signal-Rausch-Abstand und somit die Empfindlichkeit des IMS 40 verbessert. Das Auslaßrohr 59 für das Drifigas und das Probegas ist ein größeres keramisches Rohr mit einem Innendurchmesser von 2,4mm, wobei das Auslaßrohr diametral gegenüberliegend zu dem Einlaßrohr 57 angeordnet ist. Somit verbleibt derjenige Anteil des Probegases, der nicht ionisiert wird, lediglich für eine minimal erforderliche Zeitspanne in dem IMS 40 und wird, falls er nicht ionisiert wird, über das Auslaßrohr 59 schnell abgesaugt, wodurch die Verunreinigung der Innenwände des IMS-Geräts verringert wird. Das Driftgas, welches normalerweise Sauerstoff ist, jedoch auch Luft oder jedes andere Inertgas mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten sein kann, wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, gegenüberliegend zu dem Rohr 57 über einen sich in der Nähe des Detektors 75 befindlichen Anschluß 48 zugeflihrt. Die Flußrate des Driftgases ist gewöhnlich drei- bis viermal so groß wie die Probegas-Flußrate. Das Driftgas trägt auch dazu bei, daß das Innere des IMS sauber gehalten wird, und erzeugt innerhalb des IMS eine konstante Umgebung.
In dem IMS 40 sind im wesentlichen zwei Bereiche vorhanden, nämlich der Ionisier- oder Reaktionsbereich 80 und der Driftbereich 90. Der am besten in Fig. 2 gezeigte Ionisierbereich 80 besteht aus demjenigen Bereich, der in Längsrichtung von den beiden Elektrode E1 und E2 und zudem durch die Größe der Ionisierquelle 60 und den Durchmesser des aus dem Einlaßrohr 57 hervortretenden Probegasstromes begrenzt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Ionisierquelle eine &sup6;³Ni-Betaquelle 60 verwendet, obwohl auch andere Ionisiermittel, wie z.B. Mehrphotonen- oder Resonanzlaserionisierungen, Feldionisierungen, Koronaionisierungen usw., verwendet werden können. Abhängig von dem Vorzeichen des an das IMS 40 angelegten Potentials können sowohl positive als auch negative Ionen überwacht werden. Die Spannungen an E1 und E2 werden mit Hilfe der Pulsierschaltung 43 gesteuert, die nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wird.
Wie zuvor erwähnt worden ist, dienen die Durchführungen 44 und 46 - wie in Fig. 4 gezeigt ist - als Hochspannungsanschlüsse. Fig. 5 zeigt einen Verlauf der an den Elektroden und einem Triggereingang 49 auftretenden Spannungen. Im nichtgepulsten Modus bleibt die Spannung am Triggereingang 49 auf 0V. Im nichtgepulsten Modus des IMS beträgt die Spannung an der Elektrode E1 normalerweise -2,7kv und an der Elektrode E2 -2,703kv. Dies hat normalerweise zwischen E1 und E2 ein sehr schwaches elektrisches Feld von ca. 10 bis 20V/cm zur Folge, welches zu der Platte der Elektrode E2 hin gerichtet ist und die negativen Ionen des Probegases davon abhält, daß diese in den Driftbereich 90 eindringen können. Dieses Feld verläuft entlang der Achse des IMS 40. Bei 51 ist in Fig. 41 eine -3,0kV-Versorgunsquelle dargestellt. Es ist zu beachten, daß die Schaltung 43 lediglich illustrativ für die gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete gepulste Hochspannungsschaltung ist und ebenso andere Schaltungskonfigurationen verwendet werden können. Zudem können beide Elektroden E1 und E2 mit Spannungen im Bereich zwischen -500V und -6000V vorgespannt werden, wobei jedoch beim bevorzugten Ausführungsbeispiel -2,7kv der Nennwert ist. Das IMS kann ebenso im positiven Modus verwendet werden, wobei in diesem Fall alle Spannungspolaritäten und die Anschlüsse an dem Transistor T&sub1; umgekehrt sind. Der positive Modus kann zur Erfassung der positiven Probegasionen verwendet werden. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, steigt im gepulsten Betrieb die Spannung am Triggereingang 48 für eine nominelle Dauer von 50us auf 5V an. Das Triggem könnte mit Hilfe eines an eine (nicht gezeigte) gepulste Digitalschaltung angeschlossenen Handschalters aktiviert werden. Ist die Triggerspannung bei 49 hoch, ist der Transistor T&sub1; eingeschaltet, so daß die an der Elektrode E1 anliegende Spannung für eine Dauer von 50us auf -3kv ansteigt. Die Spannung an der Elektrode E2 bleibt konstant. Der Spannungssprung an der Elektrode E1 führt zu einer Umkehrung der elektrischen Feldstärke. Das daraus resultierende elektrische Feld beträgt ca. 3000V/cm und verläuft entlang der Achse des IMS, jedoch zu dem Detektor 75 hin, so daß die negativen Probegasionen in den Driftbereich 90 gepulst werden. Das Feld besitzt eine derartige Stärke, daß die Probeionen verglichen mit der Driftzeit der Ionen in dem Driftbereich innerhalb einer sehr kurzen Zeitspannen in den Driftbereich gepulst werden. Die Pulsierschaltung kann zeitlich derart gesteuert werden, daß an E1 in Abständen von ein paar Millisekunden ein Impuls mit einer Dauer von Sojis erzeugt wird. Die Elektroden E1 und E2 bilden somit eine gepulste Ionenkanone. Die Ionen werden von dem Ionisierbereich 80 durch das Gitter 67 gepulst und driften in dem innerhalb der becherförmigen Elektrode E2 und der Detektoranordnung 75 erzeugten ungleichmäßigen elektrischen Feld zu dem Detektor 75 hin. Das elektrische Feld in dem Driftbereich 90 wird durch die Abmessungen der becherförmigen Elektrode E2 und des Detektors 75 bestimmt.
Fig. 7 zeigt die elektrische Feldstärke 96 in Längsrichtung des Driftbereichs 90 gemaß der vorliegenden Erfindung. Erreichen die Probeionen den Detektor 75, steigt das elektrische Feld 96 auf einen ca. fünfmal so großen Wert wie im restlichen Gebiet des Driftbereichs 90 an. Demzufolge steigt die Driftgeschwindigkeit Vd der Ionen deutlich an, und die Änderungsrate des in dem Detektor 75 induzierten Stromes erhöht sich ebenso proportional.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird bei dem IMS gemäß dem Stand der Technik eine zusätzliche Elektrode in Form eines vor dem Detektor 16 angeordneten Aperturgitters 18 verwendet. Dieser Aufbau verursachte zudem eine Erhöhung des elektrischen Feldes in der Nähe des Detektors 16. In Fig. 6 ist eine Darstellung des elektrischen Feldes 92 in Längsrichtng des Driftbereichs 12 des IMS gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Hinzufügen des Aperturgittrers 18 bei dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik hatte aufgrund der Kollisionsverluste an dem Aperturgitter auch einen gewissen Signalverlust am Detektor 16 zur Folge. Zudem kam es aufgrund von Mikrophoneffekten, die durch die zwischen dem Aperturgitter 18 und dem Detektor 16 auftretenden Kapazität hervorgerugen werden, zu einer verlängerten Anstiegszeit des Signais. Da der von der Ionenwolke in dem Detektor induzierte Gesamtstrom gleich bleibt, verringert eine verlängerte Anstiegszeit des Induktionsstromes bei dem Detektor 16 gemäß dem Stand der Technik die Höhe der Signalspitzen (da die Fläche unterhalb der Signalspitze gleich bleiben muß).
Bei dem IMS 40 gemäß der vorliegenden Erfindung wird viel Wert darauf gelegt, daß der Detektor 75 physikalisch sehr klein ausgebildet ist und eine derartige koaxiale Konstruktion aufweist, daß seine Kapazität verringert wird. Aufgrund der fokussierenden Feldausgestaltung des Driftbereichs 90 hat die kleine Größe des Detektors 75 keinerlei Verluste der den Detektor erreichenden Ionen zur Folge. Die elektrischen Felder in radialer Richtung des Aufbaus gemaß dem Stand der Technik und des Aufbaus der vorliegenden Erfindung können dadurch verglichen werden, daß die in Fig. 7 gezeigte Kurve 98 (des IMS der vorliegenden Erfindung) mit der in Fig. 6 gezeigten Kurve 94 (des IMS gemäß dem Stand der Technik) verglichen wird. Dieser Vergleich macht den Fokussiereffekt der neuen Ausgestaltung der becherförmigen Elektrode E2 deutlich. Es wird darauf hingewiesen, daß sich mit dem Driften der Ionen zu dem detektorseitigen Ende des Driftbereichs hin das elektrische Feld 98 bei dem IMS der vorliegenden Erfindung entlang der radialen Achse erhöht. Dies unterscheidet sich von dem radialen elektrischen Feld 94, welches bei dem Aufbau gemaß dem Stand der Technik nahezu nicht vorhanden ist. Somit hat die Kombination des Fokussiereffekts und der wesentlich höheren elektrischen Felder 96 und 98 in der Nähe des Detektors 75 mit der verringerten Detektorgröße einen deutlichen Anstieg der Spitzensignalamplituden und einen entsprechenden Anstieg ihrer Spitzenbreiten zur Folge. Dies führt zu einer verbesserten Instrumentenauflösung. Da der Hintergrundrauschpegel im Mittel ein gleichmäßiger Strom ist, führt eine größere Spitzensignalamplitude zu einem entsprechend verbesserten Signal- Rausch-Abstand. Ein weiterer Anstieg der Auflösung wird durch die Verringerung der Abfallzeiten der Signalimpulse erreicht. Dies wird dadurch erzielt, daß der Eingangswiderstand des mit dem Detektor 75 verbundenen (nicht gezeigten) Verstärkers verringert wird. Normalerweise werden für das IMS elektrometrische Verstärker, d.h. Verstärker mit einem Eingangswiderstand im Bereich von mehrere zehn Megaohm, verwendet. Durch die Verwendung von Verstärkern mit vergleichsweise geringen Eingangswiderständen, z.B. im Vereich von ein paar Megaohm, wird die RC Zeitkonstante des Eingangs verringert. Demzufolge wird die Abfallzeit des Signals auf ca. ein Zehntel reduziert.

Auflösung und Empfindlichkeit

Auflösung

Die Auflösung des IMS 40 ist definiert als das Verhältnis der Zeit t, die der Ionenimpuls zum Erreichen des Detektors benötigt, zu der zeitlichen Breite W der Ionenebene nach Durchlaufen der Entfernung L zu dem Detektor hin (Rokushika et al. 19985). Diese Beziehung ist in der Formel 3 dargestellt.
R = t/W (3)
Die Breite W der Ionenebene entspricht der geometrischen Summe aus ihrer anfänglichen zeitlichen Breite und der aufgrund einer Diffusionsverbreiterung hervorgerufenen Breite. Daher ist es wichtig, die Anfangsbreite auf einen minimalen Wert zu halten, um die Auflösung zu erhöhen. Kann die Anfangsbreite bezüglich der diffusionsverbreiterten Breite vernachlässigt werden, kann die Auflösung wie in der Formel 4 dargestellt ausgedrückt werden:
R = {qEL/(44,2kT)} (4)
Dabei bezeichnet q die Ionenladung, E die mittlere elektrische Feldstärke in dem Driftbereich, k die Boltzmannkonstante und T die Absoluttemperatur. Diese Formel macht deutlich, daß die Auflösung unabhängig von der Länge des IMS ist und sich proportional zu der an das IMS angelegten Spannung erhöht, da EL dem Gesamtpotential in dem Driftbereich entspricht. Das becherartige IMS ist ausgelegt, um mit Spannungen bis zu 6kV oder mehr betrieben zu werden, was mehr als das Doppelte der Geräte nach dem Stand der Technik ist. Die Größe des anfänglichen Ionenpackets wird dadurch klein gehalten, daß ein axiales Feld zum Ausstoßen der Ionen mit maximaler Geschwindigkeit verwendet und die räumliche Ausbreitung der Probe mit Hilfe eines stromlinienförmigen Flusses der Probe begrentzt wird. Bei den Geräten gemäß dem Stand der Technik wurde eine passive Technik zur Erzeugung des Ionenpackets verwendet, indem ein querverlaufendes elektrisches Feld, d.h. der Neilson-Bradbury-Shutter 22, ausgeschaltet wurde. Es wird angenommen, daß die anfängliche Impulsbreite zweimal so groß wie die Gatebreite ist, wobei die Gatebreite bei typischen IMS nach dem Stand der Technik ca. 200us beträgt. Für eine Ionenspitze mit einer reduzierten Beweglichkeit von 1, 8cm²v&supmin;¹s&supmin;¹ und einer Driftlänge von 14cm wird durch die Diffusion die Spitze um ca. 660us verbreitert. Beträgt die Driftlänge lediglich 5cm, beträgt die Diffusionsbreite lediglich 80us. Daher sollte die anfängliche zeitliche Ausbreitung der Spitzenbreite ausreichend weit unterhalb von 80us gehalten werden, um eine maximale IMS-Auflösung zu erzielen. Es hat sich herausgestellt, daß für eine Chlorionenspitze bei 1 ,2ms Spitzenbreiten mit dem halben Maximalwert von 50us auftreten, was einer Auflösung von 24 entspricht. Für IMS nach dem Stand der Technik konnten Auflösungen ca. zwischen 15 und 30 ermittelt werden. Die Auflösung kann weiterhin dadurch verbessert werden, daß der durch die Diffusionsverbreiterung hervorgerufene Anteil sowie die anfängliche Impulsbreite reduziert werden. Die nunmehr verfügbare Auflösung, welche mit dem vereinfachten Aufbau der becherartigen Elektrode E2 in dem IMS 40 zusammenhängt, ist flir die meisten Überwachungszwecke einschließlich der Explosionserfassung geeignet.

Empfindlichkeit

Bei einer vorgegebenen, in das IMS 40 eingeführten Probenmasse erhöht sich mit der Dichte des in dem IMS erzeugten Ionenpackets auch der Signal-Rausch-Abstand und somit die minimal erfaßbaren Pegel und die Empfindlichkeit des IMS. Demnach ist die Erhöhung der Empfindlichkeit umgekehrt proportional zu dem Volumen der Probe. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des IMS 40 wird dieses Volumen auf einen minimalen Wert gehalten. Das Volumen, bei dem Ionen auftreten, beträgt schätzungsweise 30 Mikroliter, was ungefähr tausendmal kleiner als dasjenige Volumen ist, das in das IMS 10 nach dem Stand der Technik eingeführt werden kann. Die Empfindlichkeit wird somit erhöht. Das Probenvolumen kann sogar weiter dadurch verringert werden, daß ein Probegas-Einlaßrohr 57a und ein Probegas-Auslaßrohr 59a mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden, so daß der Probenfluß in einer zu der Achse des IMS senkrecht verlaufenden Eben die Form einer dünnen Schicht annimmt. Ein weiterer Empfindlichkeitsfaktor rührt von den Verlusten der Ionenwolke beim Driften auf den Detektor 75 zu her. Es wird angenommen, daß sich mit steigender Driftzeit die chemischen Reaktionen und Kollisionsverluste verstärken. Diese Verluste können durch Verkürzen des Driftbereichs 90 und durch Erhöhen der Spannung an der becherartigen Elektrode E2 verringert werden. Da die Drifizeit bei dem IMS 40 ungefähr zehnmal kleiner als bei dem IMS nach dem Stand der Technik ist, weist das IMS 40 eine entsprechend höher Empfindlichkeit auf. Vormessungen haben gezeigt, daß sich die Stärke des durch das Ionenpacket hervorgerufenen Signals mehr als linear mit der abnehmenden Drifizeit erhöht.
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des grundsätzlichen IMS-Aufbaus 40 oder zur dessen Optimierung für bestimmte Anwendungsgebiete können andere Ausführungsbeispiele entwickelt werden. So erhöht beispielsweise eine Verringerung der Größe des IMS dessen Empfindlichkeit. Dies ist deshalb möglich, da die Fokussiereffekte lediglich von der relativen Größe der becherartigen E1ektrode E2 und den Abmessungen der Detektoranordnung 75 abhängen.
Des weiteren wird die Auflösung und die Empfindlichkeit durch die Verwendung von höheren Spannungen mit Driftgasen, welche eine höhere dielektrische Durchbruchsfestigkeit aufweisen, erhöht.

Claims

1. Hochempfindliches, vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer, umfassend:

(a) ein zylinderförmiges Gehäuse (42), welches an einem ersten Ende einen Ionisierbereich (80), an einem zweiten Ende einen Erfassungsbereich und dazwischen einen Driftbereich (90) aufweist, wobei das Gehäuse (40) Mittel zum Einführen eines Driftgases an dem zweiten Ende aufweist,

(b) erste Mittel (50, 57) zum Einführen eines bestimmte Moleküle umfassenden Probegases in den Ionisierbereich (80) an dem ersten Ende des Gehäuses, und zweite Mittel (52, 59) zum Entnehmen des Probegases und des Driftgases an dem ersten Ende des Gehäuses (42),

(c) Mittel (60) zum Ionisieren bestimmter Moleküle des Probegases in dem Ionisierbereich (80),

(d) nahe dem zweiten Ende des Gehäuses (42) in dem Erfassungsbereich angeordnete Mittel (70) zum Erfassen bestimmter ionisierter Moleküle, und

(e) Mittel (60) zum intermittierenden, impulsartigen Einführen ionisierter Moleküle des Ionisierbereiches (80) in den Driftbereich (90) durch eine Öffnung, gekennzeichnet durch

(f) eine zylinderförmige erste Einelementenelektrode (67) mit einem sich radial und einem sich axial erstreckenden Abschnitt, um den Ionisierbereich (80) von dem Driftbereich (90) zu trennen und die Öffnung zwischen dem Ionisierbereich (80) und dem Driftbereich (90) zu definieren, wobei an sämtlichen Teilen der ersten Elektrode (67) dasselbe Potential anliegt, so daß die erste Elektrode (67) ein elektrisches Feld erzeugt, wobei sich die Intensität des radialen und axialen elektrischen Feldes in axialer Richtung der zylinderförmigen ersten Elektrode (67) zu dem Erfassungsbereich hin erhöht.

2. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1, wobei die zylinderförmige erste Elektrode (67) ein teilweise geschlossenes Ende aufweist, um den Ionisierbereich (80) von dem Driftbereich (90) zu trennen.

3. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zylinderförmige erste Elektrode (67) im wesentlichen den Driftbereich (90) umgibt und diesen definiert.

4. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mittel (60) zum intermittierenden, impulsartigen Einführen der ionisierten Moleküle eine zwischen dem Gehäuse (42) und der ersten Elektrode (67) angeordnete Impulselektrode umfassen.

5. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 4, wobei die Impulselektrode (60) eben ausgestaltet ist und sich axial jenseits der in der ersten Elektrode (67) definierten Öffnung erstreckt.

6. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Erfassungsmittel (70) eine kreisförmige und ebene Elektrode umfassen, welche koaxial zu der ersten Elektrode (67) ausgerichtet ist.

7. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäuse (42) und die erste Elektrode (67) eine Anordnung definieren, welche einen inneren Driftbereich mit einem Durchmesser von 1 bis 3 mm aufweist.

8. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Mittel (50, 57) zum Einführen des Probegases in radialer Richtung nahe dem ersten Ende des zylinderförmigen Gehäuses (42) zu diesem ausgerichtet sind.

9. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweiten Mittel (52, 59) zum Entnehmen des Probegases und des Driftgases gegenüberliegend zu den ersten Mitteln (50, 57) in radialer Richtung zu dem zylinderförmigen Gehäuse (42) ausgerichtet sind, um das Entfernen von Verunreinigungen in dem Probegas zu erleichtern.

10. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

wobei die ersten Mittel (50, 57) zum Einführen des Probegases durch einen Probegaseinlaß (50, 57) gebildet sind,

wobei die Mittel zum Einführen des Driftgases durch einen Driftgaseinlaß (48) gebildet sind, und

wobei die zylinderförmige erste Elektrode (67) eine koaxial in dem Gehäuse (42) angeordnete Hochpotentialelektrode (67) ist, welche eine Zylinderachse mit mindestens einem Abschnitt des Driftbereiches (90) in dem Zylinder bildet.

11. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das zylinderförmige Gehäuse (42) einen aus nicht rostendem Stahl bestehenden, einteiligen Zylinder umfaßt, welcher an seinem ersten Ende geschlossen ist.

12. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend ein erstes Hochspannungsan schlußteil (54) an den Mitteln (60) zum intermittierenden, impulsartigen Einführen ionisierter Moleküle und ein zweites Hochspannungsanschlußteil (56) an der ersten zylinderförmigen Elektrode (67), wobei sich sowohl das erste als auch das zweite Hochspannungsanschlußteil entlang einer ersten bzw. zweiten keramischen Durchführung (44, 46) in dem zylinderförmigen Gehäuse erstreckt.

13. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 12, wobei die erste zylinderförmige Elektrode (67) auf dem zweiten Hochspannungsanschlußteil (56) befestigt ist und von diesem getragen wird.

14. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

wobei die Mittel (60) zum intermittierenden, impulsartigen Einführen jonisierter Moleküle durch eine zweite Elektrode (60) gebildet sind, und

wobei die erste Elektrode (67) und die zweite Elektrode (60) auf ein erstes und ein zweites negatives Potential vorgespannt sind, und die zweite Elektrode (60) periodisch auf ein unterhalb des Potentials der zylinderförmigen ersten Elektrode (67) liegendes negatives Potential gepulst wird, oder

wobei die erste Elektrode (67) und die zweite Elektrode (60) auf ein erstes und zweites positives Potential vorgespannt sind, und die zweite Elektrode (60) periodisch auf ein unterhalb des Potentials der zylinderförmigen ersten Elektrode (67) liegendes positives Potential gepulst wird.

15. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 14, wobei das Gehäuse an Masse liegt und die zweite Elektrode (60) von 2700 Volt auf 3000 Volt vorgespannt wird.

16. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 12, wobei die erste und zweite Durchführung (44, 46) jeweils durch eine Metall-Keramik-Anordnung gebildet sind.

17. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die ersten Mittel (50, 57) zum Einführen des Probegases auf derselben Achse angeordnet sind wie die zweiten Mittel (57, 59) zum Entnehmen des Probegases und des Driftgases.

18. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach den Ansprüchen 10 und 17, wobei der Probegaseinlaß (50, 57) und der Probegasauslaß (52, 59) durch Röhren mit einer rechteckigen Querschnittsform gebildet sind.

19. Vereinfachtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer nach Anspruch 18, wobei der Probegaseinlaß (50, 57) und der Probegasauslaß (52, 59) aus Keramik gefertigt sind.