DE10200256A1

DE10200256A1 - Beta/Plasmaionenquelle für ein Ionenmobilitätsspektrometer

Info

Publication number: DE10200256A1
Application number: DE10200256A
Authority: DE
Inventors: Juergen Leonhardt; Holger Dr Bensch
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2002-01-05
Filing date: 2002-01-05
Publication date: 2003-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für ein Ionenmobilitätsspektrometer. Sie kann speziell in der empfindlichen und hochauflösenden Spurengasanalyse eingesetzt werden. DOLLAR A Die Ionenquelle besteht aus einer planaren, elektrisch leitfähigen, kurzreichweitige beta-Teilchen emittierenden Strahlenquelle mit der Flächennormalen in Bewegungsrichtung der Ionen im Driftfeld, wobei parallel zur Strahlenquelle ein unipolares Gitter von dieser isoliert angebracht ist und durch die Gestaltung von Gaseinlaß, Strahlungsquelle, Gitter und Driftraum die Feld- und Ionisationsverluste an Ionen minimiert werden und außerdem die Ionen in einem sehr eng begrenzten Raum konzentriert werden, was die Nachweisgrenze und das Auflösungsvermögen der Anordnung gleichzeitig verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für ein Ionenmobilitätsspektrometer. Sie kann spezielle in der Spurengasanalyse eingesetzt werden.
Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) zur Spurengasanalyse bestehen üblicherweise aus einem Ionisationsraum mit einer Ionenquelle, einem Einlaßgitter, einer sich anschließenden Driftregion und einem Kollektor zum Nachweis der Ionen.
Die Ionisation der Spurengasmoleküle kann auf verschiedene Weise erfolgen. So sind Ionisationsquellen für IMS bekannt, die mit einer hohen Feldstärke (Feldionisation), mit einer elektrischen Entladung oder mit radioaktiven Quellen, insbesondere mit α- oder β-Strahlern arbeiten (EP 528 426).
Eine prinzipielle Voraussetzung für hohe Empfindlichkeit und ein großes Auflösungsvermögen des IMS besteht darin, daß möglichst viele der nachzuweisenden Moleküle tatsächlich ionisiert werden und in den Driftraum des IMS gelangen. Dazu muß die Ionenquelle im Gas eine hohe Konzentration von Reaktionsionen zu erzeugen in der Lage sein: NO⁺.H₂O, (H₂O)H⁺, O₂ ^-(H₂O) in Luft.
Darüberhinaus müssen die nachzuweisenden Moleküle aber auch in die Region der höchsten Reaktionsionenkonzentration und alle entstehenden Produktionen quantitativ innerhalb weniger Mikrosekunden in den Driftraum zwecks Trennung gebracht werden.

Bei IMS, die eine radioaktive Ionenquelle besitzen, wird deshalb der Strahler regelmäßig auf einer Folie auf der Innenseite eines hohlzylinderförmigen Körpers angeordnet, der vom Analysengas durchströmt wird. Durch derartige Anordnungen wird die Verweilzeit der Gasmoleküle im Feld der Strahlenquelle vergrößert, was zu einer Erhöhung der Ionisationswahrscheinlichkeit führen soll (DE 43 10 106, De 36 04 893, US 5 574 277 etc.). In Realität werden die meisten nachzuweisenden Clusterionen eines IMS im Verlauf von einigen hundert Nanosekunden gebildet, so daß sich die Ionenkonzentration in einer Strahlenquelle bereits nach Mikrosekunden im Gleichgewicht befindet, wenn Rekombination und Sammlung der Ionen durch angelegte elektrische Felder wirksam sind.

Aus der bekannten EP 528 426 ist auch eine Lösung bekannt, bei der eine planare Strahlenquelle parallel zum Einlaßgitter angeordnet ist. Die sich anschließende Driftregion wird durch eine topfförmige Beschleunigungs- /Fokussierungselektrode begrenzt, was eine stark inhomogenes elektrisches Beschleunigungsfeld für die Ionen zum Kollektor hin zu Folge hat. Dabei gehen durch Rekombination/Wandkollision Ionen in Größenordnungen verloren, so daß die Ausbeute und damit die Empfindlichkeit der Anordnung nur gering ist.

Für einen empfindlichen und hochauflösenden Spurengasnachweis ist nämlich nicht nur eine hohe Ionisationseffektivität notwendig, sondern es dürfen auch nur möglichst wenige der Ionen durch Rekombination oder Sammlung an einer (anderen als der Kollektor-)Elektrode verloren gehen. Auch der Einfluß von Raumladungseffekten, die bei einer Anordnung gemäß EP 528 426 wegen der stark inhomogenen Ionisation besonders groß sind, vermindert die Zahl der tatsächlich zum Kollektor gelangenden Ionen.

Die Konzentration der Ionen in einem abgeschlossenen Volumen N kann etwa dargestellt werden zu

und
wobei der erste Term der Gleichung der Quellterm ist, der Zweite die Rekombination beschreibt und der Dritte einen Feldterm darstellt. Erfindungsgemäß wird die höchste Konzentration in der Quelle dadurch erreicht, daß der Feldterm zu Null gemacht wird.

Das wird dadurch erreicht, daß der Ionisationsraum feldfrei gestaltet wird.

Deshalb wurde erfindungsgemäß eine Ionenquelle mittels eines radioaktiven Strahlers entwickelt, die sich durch folgende Merkmale auszeichnet:
Der Ionisationsraum wird gebildet von einer Ionisationsquelle, deren Oberfläche elektrisch leitend ist, und von einem den Driftraum abschließenden Gitter - hier speziell eine Lochscheibe, die ein unipolares Gitter mit einer maximalen Flächenbelegung von < 50% bildet, das von der Strahlenquelle (Ionisationsquelle) elektrisch isoliert ist.

Um eine maximale Ionenkonzentration zu erreichen, wird ein besonders kurzreichweitiger β-Strahler eingesetzt. Im Regelfall ist dieses Tritium; der oft verwendete ⁶³Ni-Strahler erfüllt diese Bedingungen nicht.

α-Strahler entfallen aus Strahlenschutzgründen. Außerdem können bei der Ionisation der Spurengasmoleküle wegen der gegenüber β-Strahlern viel größeren Energien der α-Strahler (einige MeV) eine Vielzahl von unerwünschten Molekülfragmenten entstehen, die einerseits die Intensität des zu einer Spezies gehörenden Signals vermindern und andererseits die Auswertung der Spektren erschweren.

Aus der geringen Reichweite der ionisierenden Teilchen entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich, daß die Ionen in einer sehr begrenzten Schicht zwischen der Strahlenquelle und dem Gitter entstehen. Wesentlich ist desweiteren, daß die nachzuweisenden Teilchen unmittelbar tangential in den scharf begrenzten Ionisationsraum vor der Strahlenquelle eingeführt werden. Daraus folgt, daß bei Anlegen des Startimpulses an die Lochscheibe oder an die Strahlenquelle eine große elektrische Ladung im Impuls erreicht wird, daß somit das gesamte Ioneninventar in einer kurzen Startphase aus dem Ionisationsraum in den Driftraum gebracht wird und daß demzufolge die Impulsform des detektierten Signals nur von der Ionendiffusion innerhalb der Driftstrecke bestimmt wird. Die Folge ist eine besonders hohe Auflösung.

Der Ionisationsraum ist unter normalen Bedingungen frei von äußeren elektrischen Feldern. Durch die inhomogene Ionisation in einer begrenzten Schicht über der Strahlenquelle bildet sich ein Konzentrationsgradient von Ladungsträgerpaaren, in dem infolge unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeiten eine Ladungsträgertrennung in positive Ionen und Elektronen, die im Zuge ihrer Diffusion anlagern und negative Ionen bilden, erfolgt, wodurch ein Raumladungsfeld entsteht. In diesem fließt ein Raumladungsstrom, der die Rekombination im Ionisationsraum erhöht. Deshalb muß diese Raumladungsspannung durch eine äußere Spannungsquelle kompensiert werden. Nur so entsteht ein auswertbares Spektrum. Insgesamt ist in dieser Anordnung bei Normaldruck die höchste Ionenkonzentration im Raum zu erwarten, wenn durch äußere und innere Felder keine Ionen auf eine der Elektroden abgeführt werden (Feldfreiheit). Dieses wird erreicht, wenn beide - Gitter und Strahlenquelle - das gleiche Potential besitzen. Das Raumladungsfeld wird mit Hilfe einer entgegengeschalteten Spannungsquelle kompensiert. Ist der Abstand der den Driftraum abschließenden Lochscheibe, an der das Driftpotential liegt, so dimensioniert, daß eine kurzzeitige Wirkung eines elektrischen Feldes in z. B. wenigen Mikrosekunden in der Lage ist, alle vorhandenen Ionen positiver oder negativer Ladung durch das Gitter zu transportieren, kann eine hohe Ladung in einem kurzen Startimpuls enthalten sein. Dieser Startimpuls am Beginn der Ionendrift wird durch ein durchgreifendes elektrisches Feld zwischen der Strahlenquelle und dem zum IMS gehörenden Ionenkollektor am Ende der Driftstrecke erzeugt. Um einen hinreichenden Durchgriff zu erzielen und andererseits die bereits angesprochene Feldfreiheit im Ionisationsraum als auch ein möglichst homogenes Feld im Driftraum zu erreichen muß der Lochblendendurchmesser größer als der der Strahlenquelle (Ionisationsquelle) dimensioniert werden. Desweiteren muß, um ein möglichst homogenes Driftfeld zu erhalten (Vermeidung von Rekombinationsverlusten im Driftraum), der Innendurchmesser der die Beschleunigungselektroden des Driftraumes bildenden Hohlzylinderabschnitte ebenfalls viel größer sein als der Durchmesser der Strahlenquelle.

Durch den Einsatz von besonders kurzreichweitigen Strahlern (³H) entsteht nahezu das gesamte Ioneninventar in einer Schichtdicke von Bruchteilen eines Millimeters über der Oberfläche der Strahlenquelle. Die Ionenkonzentration in dieser Schicht erreicht Werte von 10⁶-10⁸ Ionen/cm³, so daß von einer Plasmaschicht gesprochen werden kann.

Die Vorteile einer solchen Anordnung, in der die Oberfläche der Strahlenquelle senkrecht zu Bewegungsrichtung der erzeugten Ionen steht, der Ionisationsraum feldfrei gestaltet ist und im Driftraum ein homogenes elektrisches Feld anliegt, bestehen in folgenden Punkten: sie gestattet die Erzeugung von kurzen Startimpulsen für die Ionendrift und damit eine wesentliche Verbesserung des Auflösungsvermögens eines IMS, das durch den Quotienten der Driftzeit mit der Halbwertsbreite der Strompeaks definiert ist. Zweitens können durch die extreme Flachheit der Ionenquelle alle während des Sammel- bzw. Startimpulses von wenigen Mikrosekunden verfügbaren Ionen an der Signalbildung teilhaben. Dies führt zu einer Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit durch die hohe Ladung im Impuls. Darüberhinaus wird der Ionenverlust durch Feldeinflüsse minimiert, was eine Maximierung der Signalhöhe am Kollektor zur Folge hat. Dafür ist der Übergang zwischen Quelle und Driftfeld entscheidend. Im Driftraum muß Rekombination vermieden werden, um eine hohe Transmission zum Kollektor zu ermöglichen.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Ionenquelle. Die Außenluftprobe 8 mit den zu detektierenden Gasmolekülen gelangt tangential direkt vor der planaren Strahlenquelle 1 in den Ionisationsraum. In einer sehr dünnen Schicht (< 100 µm) vor dem ³H-Strahler 1 bildet sich die Ionenschicht (Plasma). Die Strahlenquelle 1 dient gleichzeitig als Katode des Ionenmobilitätsspektrometers. Der Durchmesser der Strahlenquelle 1 ist dabei viel kleiner als der Durchmesser des Gitters 2 und der den Driftraum begrenzenden Potentialringe 4 und der Isolatoren 3. Zwischen Strahlenquelle 1 und Gitter 2 wird eine Spannung zur Kompensation des Raumladungsfeldes der Ionenschicht (Plasma) angelegt. Die Dimensionierung von Strahlenquellendurchmesser, Gitterdurchmesser und Driftstreckendurchmesser in Verbindung mit der Festlegung der Abstände S (Strahlenquelle - Gitter) sowie L_d (Driftstrecke) führt zu einem weitestgehend feldfreien Ionisationsraum und einem Driftraum mit homogenem Feldverlauf. Die Feldverluste an Ionen werden in der gesamten Anordnung minimiert.

Gleichfalls wird dadurch sichergestellt, daß der durch das Gitter 2 durchgreifende Startimpuls einen homogenen Feldverlauf gegenüber der Ionenwolke aufweist. Der Driftraum wird durch eine Kollektorelektrode 7 abgeschlossen, die durch ein Aperturgitter 5 gegen Verschiebungsströme geschützt ist. Durch einen Gaseinlaß 6 gelangt das Driftgas in die Zellenanordnung.

Claims

1. Beta/Plasmaionenquelle für ein Ionenmobilitätsspektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß eine planare elektrisch leitfähige β-Strahlenquelle mit ³H als aktiver Substanz vorhanden ist, deren Flächennormale in Bewegungsrichtung der Ionen im Driftfeld ausgerichtet ist, daß parallel zur Strahlenquelle ein unipolares Gitter, das als Lochblende mit einer Flächenbedeckung kleiner als 50% ausgebildet ist, angeordnet ist, wobei der Durchmesser des Gitters größer als der Durchmesser der Strahlenquelle ist und der Abstand zwischen Gitter und Strahlenquellenoberfläche nicht mehr als die dreifache Halbwertsbreite der Energieverteilungsfunktion der emittierten β-Teilchen beträgt, daß der Gaseinlaß der Probe unmittelbar tangential in eine dünne Schicht direkt vor der Strahlenquelle erfolgt, daß die Driftstrecke aus äquidistanten rotationssymmetrischen Potentialringen und Isolatorringen gebildet wird, deren Durchmesser ebenfalls größer als der Durchmesser der Strahlenquelle ist und daß zur Kompensation des Raumladungsfeldes eine Gegenspannung zwischen der Strahlenquelle und dem Gitter angeschlossen ist.

2. Beta/Plasmaionenquelle für ein Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines kurzen Startimpulses für die Ionendrift ein weitestgehend homogenes elektrisches Feld zwischen der Strahlenquelle und dem Gitter des IMS anlegbar ist.