DE102006006683B4

DE102006006683B4 - Driftröhre für ein Ionenmobilitätsspektrometer mit integriertem Gaskanal

Info

Publication number: DE102006006683B4
Application number: DE102006006683A
Authority: DE
Inventors: Jürgen LANDGRAF; Jürgen Riemenschneider
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: GB2436008B; US7547880B2; GB2436008A; DE102006006683A1; GB0701256D0; US20080073514A1

Abstract

Driftröhre eines Ionenmobilitätsspektrometers, die aus Röhrensegmenten zusammengefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Röhrensegmente mindestens zwei von einander getrennte Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen im zusammengefügten Zustand neben einem Driftbereich mindestens einen Gaskanal ausbilden, der entlang der Driftröhrenachse verläuft, und dass mindestens ein verbindendes Röhrensegment eingefügt ist, das einen Gaskanal quer zur Driftröhrenachse bildet und den Driftbereich mit einem der entlang der Driftröhrenachse verlaufenden Gaskanäle verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Driftröhre für ein Ionenmobilitätsspektrometer, die aus gestapelten Röhrensegmenten zusammengefügt ist und die Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Driftfeldes aufweist, die elektrisch von der Außenseite der Driftröhre kontaktierbar sind.
Die Erfindung besteht darin, dass die Mehrzahl der Röhrensegmente mindestens zwei von einander getrennte Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen im zusammengefügten Zustand neben einem Driftbereich mindestens einen integrierten Gaskanal ausbilden, der entlang der Driftröhrenachse verläuft, und dass mindestens ein verbindendes Röhrensegment eingefügt ist, das einen Gaskanal quer zur Driftröhrenachse ausbildet und den Driftbereich mit einem entlang der Driftröhrenachse verlaufenden Gaskanal verbindet.
Stand der Technik
Die Ionenmobilitätsspektroskopie ist ein Verfahren zum hochempfindlichen Nachweis von Fremdsubstanzen geringer Konzentration in Umgebungsluft oder anderen Gasen, das sich in einem vergleichsweise kompakten Aufbau und mit geringem gerätetechnischen Aufwand realisieren lässt. Es eignet sich deshalb besonders gut für tragbare Gasanalysatoren und Warngeräte. Die Ionenmobilitätsspektroskopie ist beispielsweise aus den Patenten US 3,699,333 A (Cohen et al.) und US 4,777,363 A (Eiceman) bekannt.
Bei der Ionenmobilitätsspektroskopie wird allgemein die Mobilität von Ionen oder geladenen Cluster in Gasen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ausgewertet. Dabei ist die Mobilität unter Berücksichtigung von Gastemperatur und -druck charakteristisch für die Ionen bzw. geladenen Cluster.
Derzeit werden am häufigsten Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Driftröhre vom Flugzeit-Typ verwendet. Im Reaktionsraum einer solchen Driftröhre werden üblicherweise Gasmolekülen durch radioaktive Materialien, wie z.B. ⁶³Nickel, partiell ionisiert. Die Ionisation der zu analysierenden Substanzen einer zugeführten Gasprobe erfolgt typischerweise erst in chemischen Folgereaktionen, die durch gasförmiges Wasser oder zugeführte gasförmige Dopanten, wie z.B. Ammoniak, beeinflusst werden. Die Ionen der zu analysierenden Substanzen driften im Reaktionsraum in einem axialen elektrischen Driftfeld zu einem Schaltelement, z.B. einem Bradbury-Nielsen Gitter oder einer Potentialbarriere. Durch das kurzzeitige Abschalten bzw. das Umschalten von Potentialen am Schaltelement werden Ionen als gepulster Ionenstrom in die Driftzeitstrecke der Driftröhre eingelassen und bewegen sich dort in einem axialen elektrischen Driftfeld zur Empfängerelektrode. Durch die ionenspezifische Mobilität weisen die Ionenspezies unterschiedliche Geschwindigkeiten auf und werden zeitlich separiert. Aus der zeitlichen Verzögerung des Ionenstroms an der Empfängerelektrode gegenüber dem Öffnen des Schaltelementes werden die ionenspezifischen Driftzeiten bestimmt, die ein Maß für die Mobilität der Ionen sind. Der Reaktionsraum und die Driftzeitstrecke bilden zusammen den Driftbereich der Driftröhre, in dem die Ionen entlang eines axialen elektrischen Driftfeldes in Richtung der Empfängerelektrode driften.
In anderen Typen von Ionenmobilitätsspektrometern, wie z.B. den Filter-Typen (FAIMS = „Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer") oder den Multielektroden-Typen (aspiration type), driften die Ionen in elektrischen Feldern, die radial oder transversal zur Driftröhrenachse ausgerichtet sind. Ein Driftgas, das senkrecht zu den elektrischen Feldern durch die Driftröhre strömt, transportiert die Ionen entlang der Driftröhrenachse.
Ein Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ weist ein Pneumatiksystem auf, das meistens aus der Driftröhre, einer Gaspumpe (Gasfördereinrichtung), Filtern und Gaskanälen (Gasverbindungen) besteht. Die Gaskanäle verbinden die pneumatischen Komponenten (Driftröhre, Gaspumpe und Filter) zu einem Gaskreislauf, in dem das Gas von der Gaspumpe umgewälzt wird. Um insbesondere bei einem Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ reproduzierbare Ergebnisse erzielen zu können, ist es notwendig, dass das Gas kontinuierlich gereinigt wird und die Feuchtigkeit auf niedrigem Niveau (10 bis 100 Parts per million) möglichst konstant gehalten wird. Die Filter reinigen das umgewalzte Gas von den zu analysierenden Substanzen, die im Reaktionsraum nicht ionisiert worden sind und entziehen dem Gas überschüssige Feuchtigkeit, die durch die Gasprobe in den Gaskreislauf eingetragen wird. Innerhalb der Driftröhre wird das Gas so geführt, dass den Ionen auf der Driftzeitstrecke nur gereinigtes Driftgas entgegenströmt, damit dort keine weiteren Ionen von zu analysierenden Substanzen erzeugt werden. Für die Steuerung des Gasflusses kann das Pneumatiksystem auch pneumatische Schalt- und Regelelemente aufweisen, wie z.B. Schaltventile. Die Sensoren des Ionenmobilitätsspektrometers überwachen wichtige Parameter des Gases, wie z.B. den Druck, die Temperatur oder die Feuchtigkeit.
Entlang der Driftzeitstrecke der Driftröhre wird ein axiales elektrisches Driftfeld benötigt, das quer zur Driftröhrenachse möglichst homogen ist, um eine zeitliche Verbreiterung des gemessenen Ionenstrompulses für eine Ionenspezies zu minimieren. Ein homogenes axiales elektrisches Driftfeld kann beispielsweise durch elektrisch leitfähige Ringelektroden erzeugt werden, die äquidistant und konzentrisch zur Driftröhrenachse angeordnet sind und an denen gleichmäßig ansteigende elektrische Potentialen anliegen (Eiceman US 4,777,363 A ). Die Feldhomogenität verbessert sich mit dem Verhältnis von Durchmesser zu Abstand der Ringelektroden. Die einzelnen Potentiale werden meist an einem gemeinsamen Spannungsteiler abgegriffen.
Der Reaktionsraum der Driftröhre ist in den meisten Fällen wie die Driftzeitstrecke aufgebaut, wobei hier eine geringere Feldhomogenität notwendig ist und damit ein größerer Abstand oder ein kleinerer Durchmesser der Ringelektroden gewählt werden kann. Außer den Ringelektroden enthält die Driftröhre ein Schaltelement zwischen dem Reaktionsraum und der Driftzeitstrecke sowie ein Schirmgitter in der Nähe der Empfängerelektrode. Alle elektrisch leitfähigen Röhrenteile einschließlich der im Reaktionsraum befindlichen Ionisierungsquelle müssen auf einem definierten elektrischen Potential liegen und deshalb von außen kontaktierbar sein. Sie werden im Folgenden auch als Elektroden bezeichnet.
Die Driftröhre eines Ionenmobilitätsspektrometers vom Flugzeit-Typ hat herkömmlich folgende Aufgaben zu erfüllen:

– die Abdichtung des Driftbereiches gegenüber dem Außenraum der Driftröhre,
– die Ionisierung der Gasprobe im Reaktionsraum,
– die Erzeugung eines homogenen axialen elektrischen Driftfeldes, und zwar insbesondere entlang der Driftzeitstrecke,
– die mechanische Halterung der Elektroden und deren elektrische Isolierung,
– das Vermeiden von Einträgen der Gasprobe in die Driftzeitstrecke.

Zur Vermeidung von Einträgen der ungefilterten Gasprobe in die Driftzeitstrecke wird diese mit gereinigtem Driftgas gespült, das von der Empfängerelektrode zum Schaltelement strömt und die Gasprobe von der Driftzeitstrecke fernhält. Die Gasführung in der Driftröhre sorgt dafür, dass eventuell vorhandene Ausgasungen von den Innenwänden der Driftröhre kontinuierlich herausgespült werden. Eine Anforderung an die Driftröhre besteht auch darin, dass die Driftröhre selber möglichst geringe Ausgasungen aufweist.
In einer frühen Variante einer Driftröhre vom Flugzeit-Typ befindet sich eine Stützkonstruktion im Inneren eines gasdichten Behälters, die die Elektroden der Driftröhre (insbesondere die Ringelektroden) mechanisch hält und elektrisch voneinander isoliert (Cohen et al. US 3,699,333 A ). Die Driftröhre ist über Schläuche oder metallische Rohrleitungen mit den übrigen Komponenten des Pneumatiksystems verbunden. Der elektrische Anschluss der Elektroden wird über elektrische Durchführungen im gasdichten Behälter hergestellt. Um die Anzahl an aufwendigen elektrischen Durchführungen gering zu halten, kann auch ein Spannungsteiler, der die einzelnen Potentiale für die Ringelektroden zur Verfügung stellt, im Inneren des gasdichten Behälters angeordnet werden. Eine ähnliche Variante (Kyoung et al. US 5,834,771 A ) realisiert die Ringelektroden mit Hilfe einer flexiblen Leiterplatte, die streifenförmig metallisiert ist, zu einem Rohr gebogen wird und ebenfalls innerhalb eines gasdichten Behälters untergebracht wird.
Die getrennte Realisierung der mechanischen Halterung der Elektroden und der Abdichtung der Driftröhre führt zu einer relativ voluminösen Anordnung, die für kleine mobile Geräte wenig geeignet ist. Außerdem muss der gasdichte Behälter zum Einbau der Stützkonstruktion eine relativ große nachträglich verschließbare Öffnung besitzen. Weiterhin werden entweder eine Vielzahl elektrischer Durchführungen im gasdichten Behälter benötigt, oder die elektrischen Komponenten im Inneren der Driftröhre, wie z.B. die Widerstände des Spannungsteilers oder die flexible Leiterplatte, müssen aus einem Material bestehen, das nicht ausgast. In beiden Fällen ergibt sich ein hoher Aufwand.
In einer anderen Variante werden anstelle der Ringelektroden Rohre oder Rohrsegmente verwendet, die schwach elektrisch leitfähig sind oder die auf ihrer Innenseite eine Beschichtung mit geringer elektrischer Leitfähigkeit aufweisen (Browning et al. in US 4,390,784 A und EP 0 026 683 B1 ). Ein gasdichter Behälter kann verwendet werden, um die Rohre oder Rohrsegmente zu halten und zu zentrieren (Vora et al. US 4,712,008 A ). Hierdurch wird der mechanische Aufbau vereinfacht und die Anzahl der zu kontaktierenden Elektroden reduziert. Allerdings bleibt bei innen beschichteten Rohrsegmenten eine gewisse Anzahl elektrischer Durchführungen weiterhin notwendig.
Von Campbell et al. ( US 5,021,654 A ) wird ein monolithischer Keramikblock verwendet, der im Innenraum eine Beschichtung mit geringer elektrischer Leitfähigkeit aufweist und an dem alle weiteren Bestandteile der Driftröhre mechanisch befestigt sind. Zahlreiche elektrische Kontakte sind hier durch die Wand des Keramikblocks geführt, was einen hohen Abdichtungsaufwand erfordert. Außerdem kann der monolithischen Keramikblock nicht in einer für die Massenfertigung geeigneten Technologie, wie z.B. Trockenpressen mit anschließendem Sintern, gefertigt werden, da er eine komplizierte Formgebung mit einer Vielzahl von Öffnungen aufweist, die in verschiedene Richtungen führen. In US 5,021,654 A wird für den monolithischen Keramikblock eine Glaskeramik verwendet, die im gebrannten Zustand mechanisch bearbeitet werden kann. Dieses Material ist jedoch aufgrund seiner Porosität und der hohen Oberflächenaffinität gegenüber Wasser nicht für ein Ionenmobilitätsspektrometer geeignet, das unter wechselnden klimatischen Bedingungen betrieben wird. Die mechanische Bearbeitung anderer für Ionenmobilitätsspektrometer geeignete keramische Materialien ist im gebrannten Zustand aufgrund der Härte und Sprödigkeit extrem aufwendig. Zusätzlich ist die reproduzierbare und homogene Beschichtung von Teilen des Innenraumes des Keramikblocks mit einem schwach leitfähigen Material technologisch sehr anspruchsvoll, sodass diese Bauart nicht für ein Serienprodukt geeignet ist.
Eine weitere Variante verwendet Rohre, die selber nicht elektrisch leitfähig sind, aber auf der Außenseite leitfähige Ringelektroden tragen oder eine durchgängige Beschichtung mit geringer elektrischer Leitfähigkeit aufweisen (Burke US 5,162,649 A ; Vandrish et al. EP 0 369 751 A1 ; Kaltschmidt et al. DE 197 27 122 A1 ; Leon EP 0 505 216 A2 ). Die Elektroden der Driftröhre können bei dieser Variante ohne aufwendige Durchführungen elektrisch von außen kontaktiert werden. Das elektrische Feld greift kapazitiv oder infolge von Leckströmen im Rohr in den Innenraum durch.
Für die Überwachung der Umgebungsluft auf Schadstoffe werden in der Regel die Ionen beider Polaritäten nachgewiesen, was üblicherweise dadurch realisiert wird, dass die Richtung des elektrischen Driftfeldes im Abstand von wenigen Sekunden zyklisch umgeschaltet wird. Bei den zuletzt beschriebenen Driftröhren werden Ionen, die an die isolierende Innenwand des Rohres gelangen, nicht neutralisiert, sondern bleiben dort als geladene ortsfeste Ionen erhalten und bewirken eine statische Aufladung der Innenwand. Nachfolgende Ionen der gleichen Polarität werden durch diese Aufladung zur Driftröhrenachse gebündelt und damit der Ionenstrom an der Empängerelektrode erhöht. Wird die Richtung des elektrischen Driftfeldes umgeschaltet, um Ionen der anderen Polarität zu messen, bewirken dieselben Aufladungen jedoch anfänglich eine Ablenkung der nachzuweisenden Ionen zur Innenwand der Driftröhre. Das dadurch verringerte Messsignal steigt solange an, bis die Umladung der Innenwände abgeschlossen ist. Dieser Umladungsprozess dauert bis zur Stabilisierung einige Minuten bis Stunden und behindert damit ein schnelles Messen von Ionen beider Polaritäten. Außenbeschichtete Röhren sind damit nur für spezielle Messaufgaben geeignet, bei denen der Nachweis von Ionen einer Polarität genügt.
In einer weiteren Variante ist die Driftröhre aus elektrisch leitfähigen und isolierenden Ringen zusammengefügt. In Richtung der Driftröhrenachse wechseln sich elektrisch leitfähige und isolierende Ringe ab. Die elektrisch leitfähigen Ringe (Ringelektroden) reichen vom Inneren der Driftröhre bis zu deren Außenseite, sodass jede Ringelektrode elektrisch von außen kontaktiert werden kann (Knorr et al. US 4,633,083 A ; Eiceman US 4,777,363 A ; Avida et al. US 5,235,182 A ). Die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Ringen werden abgedichtet. Ein Herstellungsverfahren für eine solche Driftröhre besteht darin, dass die gestapelten Ringe mit eingefügten Dichtungsringen mechanisch von außen verspannt werden. Die hierzu notwendige mechanische Stützkonstruktion verursacht allerdings einen zusätzlichen Aufwand und benötigt Raum, der in kleinen mobil einsetzbaren Geräten knapp ist. Weiterhin verursacht die Vielzahl an Dichtstellen ein hohes Leckagerisiko. Eine einfachere und mechanisch deutlich robustere Driftröhre erhält man durch den Einsatz von metallischen Ringelektroden mit Z-förmigem Querschnitt, in die passgenau Isolierringe mit recheckigem Querschnitt eingelegt werden. Die gestapelten Ringelektroden und Isolierringe werden verklebt oder verlötet (Karl DE 41 30 810 C1 ); es entsteht eine selbst tragende gasdichte Driftröhre, die elektrisch von der Außenseite kontaktiert werden kann. Auch ein Schaltgitter kann so eingefügt werden (Baumbach et al. DE 101 55 259 C1 ; 3a und 3b). Aufgrund von unvermeidlichen Montagetoleranzen beim Zusammensetzen der gestapelten Ringelektroden und Isolierringe ergeben sich bei der Schrumpfung der Klebeschichten und Lötschichten bei diesem Herstellungsverfahren relativ große Längentoleranzen für die fertige Driftröhre. Des Weiteren ist aus der Offenlegungsschrift US 2001/0032929 A1 ) (Fuhrer et al.) bekannt, dass anstelle von einfachen Ringelektroden auch Ionen fokussierende Elektroden zu einer Driftröhre zusammengefügt werden können.
Die Driftröhre wird bei allen Typen von Ionenmobilitätsspektrometern bisher meist über separate Gasverbindungen (Gaskanäle), wie etwa Schläuche oder Kapillaren, mit den pneumatischen Komponenten des Ionenmobilitätsspektrometers verbunden. Die Montage der Gasverbindungen des Ionenmobilitätsspektrometers stellt einen erheblichen Anteil am gesamten Herstellungsaufwand dar.
Insbesondere bei den aus Ringelektroden und Isolierringen zusammengefügten Driftröhren müssen die Gasverbindungen in der Regel flexibel gehalten werden, um die relativ großen Montage- und Fügetoleranzen auszugleichen. Zur Montage der flexiblen Gasverbindungen werden dafür geeignete Adapter in die Driftröhre integriert, was einen zusätzlichen Aufwand verursacht. Der Einsatz flexibler Schläuche ist gerade im Bereich der Gasanalyse nicht optimal, da diese ein erhöhtes Risiko für Leckagen und Ausgasungen aufweisen. Außerdem können bei der Montage von Schläuchen Verunreinigungen der Driftröhre eintreten, die zusätzliche Reinigungsschritte nach sich ziehen. Ein Toleranzausgleich über gebogene und verlötete Metallkapillaren verspricht eine höhere Dichtigkeit, erfordert aber einen hohen Herstellungs- und Montageaufwand bzw. weitere Arbeitsschritte zur Reinigung der Verbindungsstellen und auch der Driftröhre von Flussmittelrückständen. Alternativ kann die Passgenauigkeit bei geklebten oder gelöteten Driftröhren durch eine mechanische Nachbearbeitung der Driftröhre im zusammengefügten Zustand hergestellt werden. Hierbei ist jedoch das Spannen und Ausrichten der Driftröhre aufwendig. Außerdem sind ebenfalls wieder zusätzliche Reinigungsschritte zum Entfernen von Bearbeitungsrückständen notwendig.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Driftröhre für ein Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen, bei der die Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Driftfeldes elektrisch von außen kontaktierbar sind und die mit geringem Aufwand mit dem Pneumatiksystem des Ionenmobilitätsspektrometers verbunden werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Driftröhre gemäß Hauptanspruch 1 und den abhängigen Unteransprüchen 2 bis 11 gelöst. Die erfindungsgemäße Driftröhre ist aus gestapelten Röhrensegmenten zusammengefügt, wobei die Mehrzahl der Röhrensegmente mindestens zwei von einander getrennte Öffnungen aufweist. Die Öffnungen der gestapelten Röhrensegmente fluchten so zueinander, dass sie im zusammengefügten Zustand neben einem Driftbereich mindestens einen integrierten Gaskanal ausbilden, der entlang der Driftröhrenachse verläuft. Außerdem ist mindestens ein verbindendes Röhrensegment in der Driftröhre eingefügt, das einen Gaskanal quer zur Driftröhrenachse bildet und den Driftbereich mit einem entlang der Driftröhrenachse verlaufenden Gaskanal verbindet.
Die Driftröhre ist entweder aus elektrisch leitfähigen und isolierenden Röhrensegmenten oder nur aus isolierenden Röhrensegmenten zusammengefügt, wobei sich im letzteren Fall zwischen zwei isolierenden Röhrensegmenten eine leitfähige Schicht befindet. Die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente bzw. die elektrisch leitfähigen Schichten reichen vom Innenraum (Driftbereich) bis in den Außenraum der Driftröhre und dienen als Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Driftfeldes. Die Elektroden werden dabei elektrisch von außen angeschlossen.
Durch weitere verbindende Röhrensegmente können zusätzliche Gaskanäle quer zur Driftröhrenachse ausgebildet werden, die entlang der Driftröhrenachse verlaufende Gaskanäle untereinander oder den Reaktionsraum der Driftröhre mit dem Außenraum des Ionenmobilitätsspektrometers verbinden. Hierzu sind bei diesen Röhrensegmenten einige der Öffnungen, die den Driftbereich und die Gaskanäle ausbilden, gastechnisch verbunden.
Durch die längs und quer zur Driftröhrenachse verlaufenden Öffnungen in den Röhrensegmenten gelingt es, integrierte Gaskanäle zwischen beliebigen Stellen der Driftröhre herzustel len. Insbesondere können die Gasanschlüsse der Driftröhre über integrierte Gaskanäle zusammengeführt werden, sodass alle äußeren Gasverbindungen der Driftröhre mit den anderen pneumatischen Komponenten über ein einzelnes Röhrensegment hergestellt werden können.
Da sich die Fügetoleranzen der Driftröhre nicht auf die Lage der Gasanschlüsse innerhalb des Gasanschlussteils auswirken, kann die Verbindung der Driftröhre zum Pneumatiksystem des Ionenmobilitätsspektrometers insbesondere ohne aufwendige flexible Gasverbindungen erfolgen. Des Weiteren sind im zusammengefügten Zustand keine mechanischen Nachbearbeitungen der Driftröhre und nur geringer oder gar kein Reinigungsaufwand notwendig. Durch die Integration der Gaskanäle in die Driftröhre ergibt sich somit ein erheblich geringerer Herstellungsaufwand.
Die integrierten Gaskanäle der Driftröhre führen vorzugsweise zu einem Pneumatikblock, der mit der Driftröhre zusammengefügt ist und diese stirnseitig abschließt. Die weiteren pneumatischen Komponenten, wie z.B. eine Gaspumpe oder Filter, und Sensoren werden ebenfalls an den Pneumatikblock angeschlossen. Die Driftröhre ist mit den anderen pneumatischen Komponenten entweder über im Pneumatikblock integrierte Gaskanäle oder durch separate Gasverbindungen, wie etwa Metallkapillare, verbunden. Durch die Montage von pneumatischen Komponenten und Sensoren an geeignet ausgeformten Röhrensegmenten und die gastechnische Verbindung über die integrierten Gaskanäle der Driftröhre kann die Funktionalität des Pneumatikblocks teilweise oder sogar vollständig von der Driftröhre selber übernommen werden.
Es lassen sich weiterhin spezielle Gaskanäle in die Driftröhre integrieren, die geöffnet und wieder verschlossen werden können und die groß genug sind, um sie als Kammern für Filter- oder Dopantmaterialien zu verwenden. Die Filter- oder Dopantmaterialien werden nach entsprechender Laufzeit des Ionenmobilitätsspektrometers ersetzt.
Die Driftröhre ist aus gestapelten Röhrensegmenten zusammengefügt, deren Kontaktflächen bevorzugt ebene Flächen sind, die im zusammengefügten Zustand senkrecht zur Driftröhrenachse ausgerichtet sind. Röhrensegmente mit planarer Geometrie lassen sich durch etablierte Fertigungstechnologien, wie z.B. Trockenpressen oder Stanzen, in großen Stückzahlen kostengünstig herstellen.
Durch das Zusammenfügen werden der Driftbereich der Driftröhre und die integrierten Gaskanäle zum Außenraum der Driftröhre gegeneinander abgedichtet, wobei in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien unterschiedliche Fügetechniken eingesetzt werden, wie z.B. Kleben, Löten oder Schweißen. Für die isolierenden Röhrensegmente werden bevorzugt Kunststoffe oder Keramiken verwendet, während die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente aus Metall, einem leitfähigen Kunststoff, einer leitfähigen Keramik, aus einem leitfähig beschichtetem Kunststoff oder einer leitfähig beschichteten Keramik gefertigt sind.
Die Driftröhre ist bei einer geeigneten Wahl von Materialien und Fügetechniken selbst tragend und gasdicht. In den Röhrensegmenten können mechanische Verrippungen, Befestigungen, elektrische Kontaktierungselemente und/oder pneumatische Abdichtungskonturen so integriert werden, dass elektrische oder pneumatische Komponenten, Sensoren, Leiterplatten oder Gehäuseteile direkt an der Driftröhre befestigt werden können. Die Driftröhre selber kann die mechanische Stützkonstruktion und bei geeigneter Gestaltung und Beschichtung auch Teile der Außenwand des Ionenmobilitätsspektrometers bilden.
Die Erfindung schließt auch Driftröhren ein, die mehr als einem Driftbereich aufweisen. Die Röhrensegmente weisen dabei Öffnungen auf, die im zusammengefügten Zustand so zueinander fluchten, dass mehr als ein Driftbereich und mindestens ein integrierter Gaskanal ausgebildet werden. Mit einem derartigen Ionenmobilitätsspektrometer ist beispielsweise die gleichzeitige Messung von Ionen beider Polaritäten möglich.
In den Ausführungsbeispielen werden Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ beschrieben. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diesen Typ beschränkt, sondern kann auf alle Typen von Ionenmobilitätsspektrometern angewendet werden, bei denen Elektroden elektrisch von außen angeschlossen und Gaskanäle in die Driftröhre zu integrieren sind. Das von den Elektroden erzeugte Driftfeld ist dabei nicht auf ein zeitlich konstantes axiales elektrisches Driftfeld beschränkt.
Beschreibung der Abbildungen
Die schematischen 1a) und 1b) zeigen Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ nach dem Stand der Technik mit einem Membraneinlass- bzw. einem Direkteinlasssystem.
Die 2a) bis 2e) zeigen isolierende Röhrensegmente ((20), (30), (40), (50)) und ein elektrisch leitfähiges Röhrensegment (60).
Die 3a) zeigt den Aufbau eines elektrischen Schaltgitters (70), das als Schaltelement (3) zwischen dem Reaktionsraum (2) und der Driftzeitstrecke (4) eines Ionenmobilitätsspektrometers vom Flugzeit-Typ verwendet wird. Die 3b) zeigt das elektrische Schaltgitter im zusammengefügten Zustand in der Draufsicht.
Die 4) zeigt einen Abschnitt einer Driftröhre vom Flugzeit-Typ, der aus isolierenden Röhrensegmenten ((30), (50)) und leitfähigen Röhrensegmenten (60) zusammengefügt ist und den Reaktionsraum (2) der Driftröhre (1) ausbildet.
Die 5) zeigt ein Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ mit einer Driftröhre, die aus isolierenden Röhrensegmenten ((20), (30), (40), (50)), elektrisch leitfähigen Röhrensegmenten (60) und einem elektrischen Schaltgitter (70) zusammengefügt ist, und einem Pneumatikblock (bestehend aus einer Abschlussplatte (81), einer Verbindungsplatte (82) und einer Anschlussplatte (83)), an dem die Driftröhre sowie die weiteren pneumatischen Komponenten des Ionenmobilitätsspektrometers (Gaspumpe (13); Filter (14), (15)) angeschlossen sind.
Die 6a) und 6b) zeigen einen Abschnitt einer Driftröhre vom Flugzeit-Typ, die aus isolierenden Röhrensegmenten (90) zusammengefügt ist, wobei sich zwischen isolierenden Röhrensegmenten elektrisch leitfähige Schichten befinden, die mit Kontaktstreifen (96) auf einer Leiterplatte (95) elektrisch verbunden sind.
Bevorzugte Ausführungsformen
Die 1a) und 1b) zeigen Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ in schematischer Darstellung. In beiden Abbildungen besteht der Driftbereich der Driftröhre (1) aus einem Reaktionsraum (2) und einer Driftzeitstrecke (4), die durch ein Schaltelement (3) voneinander getrennt sind. Die primäre Ionisation von Gasmolekülen erfolgt in der Nähe der Ionisierungsquelle (7), die einen radioaktiven Betastrahler (⁶³Nickel) enthält. Typischerweise werden die zu analysierenden Substanzen, die mit dem Probengas in den Reaktionsraum (2) gelangen, erst in Folgereaktionen ionisiert. Die erzeugten Ionen werden durch ein axiales elektrisches Driftfeld in Richtung des Schaltelementes (3) gezogen, das den Durchtritt der Ionen verhindert. Durch ein kurzzeitiges Öffnen des Schaltelementes (3) werden Ionen gepulst in die Driftzeitstrecke (4) eingelassen und bewegen sich dort in einem axialen elektrischen Driftfeld zur Empfängerelektrode (6). Aufgrund der unterschiedlichen Mobilität der Ionen wird an der Empfängerelektrode (6) ein substanzabhängiger Ionenstrom gemessen. Das axiale elektrische Driftfeld wird durch eine Vielzahl von Feldelektroden (5) erzeugt.
Die Ionenmobilitätsspektrometer in den 1a) und 1b) enthalten jeweils einen Gaskreislauf, in dem eine Gaspumpe (13) das im Gaskreislauf befindliche Gas im Umlauf durch die Driftröhre (1) und die beiden Filter (14) und (15) fördert. In der Nähe der Ionisierungsquelle (7) wird Gas aus der Driftröhre (1) abgesaugt und strömt über die Gaskanäle (8), (9), (10), (11) und (12) in die Driftröhre (1) zurück. Dem Reaktionsraum (2) und der Driftzeitstrecke (4) wird über die Gaskanäle (11) bzw. (12) gereinigtes Gas zugeführt. Damit entsteht in der Driftröhre (1) ein unidirektionaler Gasstrom, bei dem die Driftzeitstrecke (4) ausschließlich von gereinigtem Driftgas durchströmt wird. Die zu analysierenden Substanzen gelangen über den Gaskanal (11) mit gereinigtem Gas in den Reaktionsraum (2). Die Filter (14) und (15) reinigen das umlaufende Gas von zu analysierenden Substanzen und halten die Feuchtigkeit des Gases bei einer geringen Konzentration konstant.
In der 1a) ist das Ionenmobilitätsspektrometer durch eine semipermeable Membran (19) vom Umgebungsgas getrennt (Membransystem). Das Umgebungsgas wird durch eine zweite Gaspumpe (18) über den Gaseinlasskanal (16) angesaugt und fließt über den Gasauslasskanal (17) zurück. Die semipermeable Membran (19) wird also von außen mit Umgebungsgas und von innen mit im Gaskreislauf befindlichen Gas bespült. Die zu analysierenden Substanzen gelangen über die semipermeable Membran (19) in den Gaskanal (11) und strömen mit dem Gas des Gaskreislaufs in den Reaktionsraum (2). In der Regel ist die semipermeable Membran beheizbar, um Speichereffekte zu verringern.
In der 1b) ist ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einem Direkteinlasssystem dargestellt. Der Gaseinlasskanal (16) mündet direkt in den Gaskanal (11) zwischen dem Filter (15) und der Driftröhre (1), während der Gasauslasskanal (17) zwischen der Gaspumpe (13) und dem Filter (15) an den Gaskreislauf der Driftröhre (1) angeschlossen ist. Das Ionenmobilitätsspektrometer ist also direkt mit dem Umgebungsgas verbunden. Aufgrund der Druckverhältnisse an den Einmündungen der beiden Gaskanäle (16) und (17) wird zu analysierendes Umgebungsgas über den Gaseinlasskanal (16) angesaugt wird, und es fließt Gas über den Gasauslasskanal (17) aus dem Gaskreislauf ab. Der Filter (15) verhindert, dass bei einem Stillstand der Gaspumpe (13) zu analysierende Substanzen in die Driftzeitstrecke (4) der Driftröhre (1) gelangen. Die Gaskanäle (16) und (17) sind vorzugsweise als Kapillaren ausgeführt.
Die 2a) bis 2e) zeigen vier isolierende Röhrensegmente ((20, (30), (40), (50)) und ein elektrisch leitfähiges Röhrensegment (60). Die Kontaktflächen der abgebildeten Röhrensegmente sind eben und parallel, sodass sich die Röhrensegmente einfach stapeln lassen. Die Kontaktflächen sind im Stapel bzw. im zusammengefügten Zustand senkrecht zur Driftröhrenachse ausgerichtet.
Die 2a) zeigt ein isolierendes Röhrensegment (20), das zwei voneinander getrennte Öffnungen (21) und (22) aufweist. Wird das Röhrensegment (20) mit anderen abgebildeten Röhrensegmenten zusammengefügt, fluchten die entsprechenden Öffnungen der Röhrensegmente. Die Öffnungen (21) und (22) bilden den Driftbereich einer Driftröhre bzw. einen integrierten Gaskanal aus, der entlang der Driftröhrenachse verläuft.
Die isolierenden Röhrensegmente bestehen vorzugsweise aus einer oxidischen Keramik, insbesondere Aluminiumoxid (Al₂O₃), und werden durch Trockenpressen mit anschließendem Sintern hergestellt. Andere Herstellungsverfahren, wie etwa keramischer Spritzguss, sind ebenso einsetzbar. Die isolierenden Röhrensegmente können auch als Stanz- oder Spritzgussteil aus einem Kunststoff hergestellt werden, wobei durch geeignete Materialauswahl ein Ausgasen in den Driftbereich der Driftröhre zu vermeiden ist.
Die 2b) zeigt ein isolierendes Röhrensegment (30), das drei voneinander getrennte Öffnungen (31), (32) und (33) aufweist. Die Öffnungen (21) und (31) sowie (22) und (32) fluchten im zusammengefügten Zustand und bilden den Driftbereich bzw. einen integrierten Gaskanal. Die Öffnung (33) ermöglicht die Ausbildung eines zweiten integrierten Gaskanal, der entlang der Driftröhrenachse verläuft.
Die 2c) und 2d) zeigen zwei verbindende isolierende Röhrensegmente ((40), (50)). In Abwandlung des Röhrensegmentes (20), bei dem die Öffnungen (21) und (22) voneinander getrennt sind, ist im Röhrensegment (40) eine Einsenkung (42) ausgebildet. Das Röhrensegment (40) bildet einen Gaskanal quer zur Driftröhrenachse aus und verbindet den Driftbereich mit einem integrierten Gaskanal. Das andere verbindende Röhrensegment (50) entspricht dem Röhrensegment (30), wobei die Öffnungen (31) und (33) durch die Einsenkung (53) verbunden sind.
Die 2e) zeigt ein elektrisch leitfähigen Röhrensegment (60), das vorzugsweise aus Metall hergestellt sind. Die Öffnungen (61), (62) und (63) entsprechen den Öffnungen der isolierenden Röhrensegmente aus den 2a) bis 2d). Allerdings sind auch andere elektrisch leitfähige Materialien, wie etwa ein leitfähiger Kunststoff oder eine leitfähige Keramik, oder ein leitfähig beschichteter Kunststoff oder einer leitfähig beschichtete Keramik möglich.
Die 3a) zeigt zwei elektrisch leitende gitterförmige Röhrensegmente ((70a), (70c)) und ein dünnes isolierendes Röhrensegment (70b), die im zusammengefügten Zustand das elektrisches Schaltgitter (70) bilden. Die 3b) zeigt das zusammengefügte elektrische Schaltgitter (70) in Draufsicht. Die Öffnungen (72a), (73a), (72b), (73b), (72c) und (73c) fluchten im zusammengefügten Zustand zu denjenigen Öffnungen in den Röhrensegmenten aus den 2a) bis 2e), die die integrierten Gaskanäle entlang der Driftröhrenachse ausbilden. Die Öffnung (71b) des isolierenden Röhrensegmentes (70b) fluchtet zu den Öffnungen, die den Driftbereich der Driftöhre (1) ausbilden. Bei den gitterförmigen Röhrensegmenten (70a) und (70c) befinden schmale parallele Gitterstege (71a) und (71c) in der zum Driftbereich fluchtenden Öffnung, wobei die Positionen der Gitterstege (71a) und (71c) so gegeneinander verschoben sind, dass im zusammengefügten Zustand jeweils ein Gittersteg zwischen zwei Gitterstegen des anderen Röhrensegmentes liegt (siehe 3b)).
Wird an die gitterförmigen Röhrensegmente (70a) und (70c) eine Sperrspannung angelegt, so entsteht zwischen gegenüberliegenden Gitterstegen ein elektrisches Feld quer zur Driftröhrenachse, das Ionen je nach Polarität zu den Gitterstegen eines der beiden gitterförmigen Röhrensegmente (70a) und (70b) ablenkt. Das Röhrensegment (70b) isoliert die beiden gitterförmigen Röhrensegmente (70a) und (70c) voneinander. Bei einer genügend hohen Spannung zwischen den gitterförmigen Röhrensegmenten (70a) und (70c) werden alle Ionen abgelenkt und an den Gitterstegen entladen. In diesem Sperrfall können Ionen das elektrische Schaltgitter (70) nicht passieren. Durch ein kurzzeitiges Abschalten der Sperrspannung gelangen Ionen gepulst in die Driftzeitstrecke (4) der Driftröhre (1).
Die 4) zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Abschnittes einer Driftröhre (1) vom Flugzeit-Typ, der aus isolierenden Röhrensegmenten ((30), (50)) und aus elektrisch leitfähigen Röhrensegmenten (60) zusammengefügt ist. Die Öffnungen (31), (51) und (61) der entsprechenden Röhrensegmente bilden im zusammengefügten Zustand den Reaktionsraum (2) einer Driftröhre (1) aus. Die Öffnungen (32), (52) und (62) sowie (33), (53) und (63) der entsprechenden Röhrensegmente bilden die integrierten Gaskanäle (12) bzw. (11) aus, die entlang der Driftröhrenachse verlaufen. Die beiden integrierten Gaskanäle (11) und (12) und der Reaktionsraum (2) sind bis auf die Einsenkung (53) im Röhrensegment (50) quer zur Driftröhrenachse gasdicht abgeschlossen. Durch die Einsenkung (53) im Röhrensegment (50) ist der Gaskanal (11) mit dem Reaktionsraum (2) verbunden.
Ein einzelnes elektrisch leitfähiges Röhrensegment (60) ist jeweils zwischen zwei isolierenden Röhrensegmenten eingefügt. Alle elektrisch leitfähigen Röhrensegmente (60) werden elektrisch von außen kontaktiert und erzeugen im Reaktionsraum (2) ein axiales elektrisches Driftfeld. Die elektrische Kontaktierung erfolgt, indem die Zungen (64) der Röhrensegmente (60) vorzugsweise direkt in eine Leiterplatte eingelötet oder in handelsübliche Steckfassungen im 2,5 Millimeter- Raster eingesteckt werden. In beiden Fällen ergibt sich ein sehr geringer Kontaktierungsaufwand.
Die isolierenden Röhrensegmente ((30), (50)) bestehen aus einer Keramik, die mit den elektrisch leitfähigen Röhrensegmenten (60) aus Metall durch Hartverlöten zusammengefügt werden. Die Kontaktflächen der elektrisch leitfähigen und isolierenden Röhrensegmente werden dabei mit einer Aktivlotpaste beschichtet, wobei vorzugsweise nur die isolierenden Röhrensegmente durch einen einfachen und kostengünstigen Siebdruck beidseitig beschichtet werden. Nach der Beschichtung werden alle Röhrensegmente gestapelt und durch Erhitzen unter Schutzgas oder im Vakuum bei hohen Temperaturen hart verlötet. Die voneinander getrennten Öffnungen der Röhrensegmente werden durch das Verlöten gegeneinander abgedichtet. Die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente (60) bestehen vorzugsweise aus einer Metall-Legierung, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient an die Keramik angepasst ist. Werden die isolierenden Röhrensegmente aus einem Kunststoff gefertigt, so werden diese vorzugsweise durch Kleben mit den elektrisch leitfähigen Röhrensegmenten verbunden.
Die 5) zeigt ein Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ mit einer erfindungsgemäßen Driftröhre (1), wobei die Sensoren des Ionenmobilitätsspektrometers, die Ionisationsquelle (7), elektrische und elektronische Komponenten oder Kontaktierungen nicht dargestellt sind. Das Pneumatiksystem entspricht dem Ionenmobilitätsspektrometer in der 1b).
Die Driftröhre (1) ist aus isolierenden Röhrensegmenten ((20), (30), (40), (50)), elektrisch leitfähigen Röhrensegmenten (60) und einem elektrischen Schaltgitter (70) zusammengefügt. Die isolierenden und die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente bestehen vorzugsweise aus Keramik bzw. aus Metall, die mit Hilfe einer Aktivlotpaste hartgelötet sind. In der Driftröhre (1) ist jeweils ein elektrisch leitfähiges Röhrensegment zwischen zwei isolierenden Röhrensegmenten eingefügt, und zwar das elektrische Schaltgitter (70) zwischen dem isolierenden Röhrensegment (50) und dem ersten isolierenden Röhrensegment (20) entlang der Driftzeitstrecke (4) und ansonsten elektrisch leitfähige Röhrensegmente (60). Der Übersichtlichkeit halber sind die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente (60) dargestellt, aber nicht bezeichnet. Das elektrische Schaltgitter (70) dient zum kurzzeitigen gepulsten Einlass eines Ionenstroms in die Driftzeitstrecke (4) der Driftröhre (1). Alle elektrisch leitfähigen Röhrensegmente ((60), (70)) erzeugen in der Driftröhre (1) ein axiales elektrisches Driftfeld und werden elektrisch von außen kontaktiert.
Der Abschnitt der Driftröhre (1), die den Reaktionsraums (2) ausbildet, ist bereits in der 4) beschrieben. Die isolierenden Röhrensegmenten (20) und (40) sowie die elektrisch leitfähigen Röhrensegmenten (60) bilden die Driftzeitstrecke (4) aus und führen den integrier ten Gskanal (12) weiter. Durch die beiden verbindenden Röhrensegmente (50) und (40) sind der Gaskanal (11) mit dem Reaktionsraum (2) und der Gaskanal (12) mit der Driftzeitstrecke (4) verbunden. Die Empfängerelektrode (6) schließt die Driftröhre (1) an der Driftzeitstrecke (4) stirnseitig ab.
Anstelle des elektrischen Schaltgitters (70) kann auch ein herkömmliches Bradbury-Nielsen Gitter als Schaltelement (3) eingesetzt werden, um einen gepulsten Ionenstrom zu erzeugen. Da dessen Stege paarweise gegeneinander isoliert sind, kann ein Bradbury-Nielsen Gitter nicht über eine leitfähige Aktivlotpaste mit isolierenden Röhrensegmenten hart verlötet werden, sondern wird nachträglich mit den jeweils getrennt zusammengefügten Abschnitten der Driftröhre (1) verklebt, die den Reaktionsraum (2) und die Driftzeitstrecke (4) ausbilden.
Die Driftröhre (1) ist mit einem Pneumatikblock (bestehend aus der Abschlussplatte (81), der Verbindungsplatte (82) und der Anschlussplatte (83)) zu einer baulichen Einheit verbunden. Alle zum Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers notwendigen pneumatischen Komponenten (Sensoren, Filter (14) und (15), Gaspumpe (13)) sind an den Pneumatikblock angeschlossen, der hierzu entsprechende Anschlüsse enthält. In der 5) ist das Ionenmobilitätsspektrometer nicht vollständig zusammengefügt, um die Funktionsweise des Pneumatiksystems darzustellen: Die Abschlussplatte (81) ist nicht mit der Verbindungsplatte (82) verbunden und die beiden Filter ((14), (15)) und die Gaspumpe (13) sind nicht an die Anschlussplatte (83) angeschlossen. Die Verbindungsplatte (82) ist als dünne mit Aktivlot beschichtete Keramikplatte mit durchgehenden Schlitzen ausgebildet, die Gaskanäle zwischen den pneumatischen Komponenten herstellen. Die Abschlussplatte (81) und die Anschlussplatte (83) sind beide als Metallteile gefertigt und werden mit der Verbindungsplatte (82) gasdicht verlötet. Die Anschlussplatte (83) enthält Öffnungen zum Anschluss der beiden Filter (14) und (15) sowie der Gaspumpe (13), die vorzugsweise über mit O-Ringen gedichtete Zapfverbindungen angeschlossen sind. Über die Kapillarverschraubungen (81a) und (81b) in der Abschlussplatte (81) werden Kapillaren als Einlasskanal (16) bzw. Auslasskanal (17) angeschlossen (entsprechend dem Direkteinlasssystem in der 1b)). Der Pneumatikblock ist über die Anschlussplatte (83) mit der Driftröhre (1) fest zusammengefügt. Zum Anschluss von pneumatischen Bauelementen, wie z.B. der Anschlussplatte (83), oder von Sensoren können die Röhrensegmente auch Formelemente oder Dichtungsflächen enthalten.
Die zum Reaktionsraum (2) der Driftröhre (1) führende Öffnung im Pneumatikblock gewährleistet die Zugänglichkeit zur Ionisierungsquelle (7) (nicht dargestellt), die stirnseitig in den Reaktionsraum (2) eingesetzt wird. Diese Öffnung wird mit einem großflächigen Drucksensor (nicht dargestellt) reversibel verschlossen.
Die beiden integrierten Gaskanäle (11) und (12), die durch die entsprechenden Röhrensegmente entlang der Driftröhrenachse ausgebildet sind, werden durch Öffnungen in der Anschlussplatte (83) und durch Öffnungen und Schlitze in der Verbindungsplatte (82) weitergeführt. Die Gaskanäle (8), (9) und (10) sind ebenfalls durch Schlitze in der Verbindungsplatte (82) ausgeführt. Die Gaskanäle (8) und (9) verbinden den Reaktionsraum (2) mit dem Eingang (13a) der Gaspumpe (13). Das Gas wird über den Gaskanal (8) aus dem Reaktionsraum (2) nahe der Ionisierungsquelle (7) (nicht dargestellt) abgesaugt und durchströmt den Filter (14), der wie die Gaspumpe (13) über Öffnungen in den Platten (82) und (83) an den Gaskreislauf angeschlossen ist. Nach der Gaspumpe (13) strömt das Gas über den Gaskanal (10) in den Filter (15), der aufgrund der perspektivischen Darstellung nicht sichtbar ist. Am Ausgang des Filters (15) verzweigt sich der Gasstrom in die Gaskanäle (11) und (12), in denen das Gas in die Driftröhre (1) zurückströmt.
Sind Kapillaren als Einlass- (16) bzw. Auslasskanal (17) an die Kapillarverschraubungen (81a) bzw. (81b) angeschlossen, wird Umgebungsgas direkt aus dem Außenraum über den Einlasskanal (16) angesaugt, und es strömt gleichzeitig Gas aus dem Gaskreislauf über den Auslasskanal (17) nach außen ab.
Die 6a) und 6b) zeigen einen Ausschnitt einer Driftröhre (100), die aus gleichartigen isolierenden Röhrensegmenten (90) zusammengefügt ist. Die Röhrensegmente (90) bestehen vorzugsweise aus Keramik und werden mit einer Aktivlotpaste hart verlötet. Die Öffnungen (91), (92) und (93) der Röhrensegmente (90) sind spiegelsymmetrisch angeordnet, so dass sie beim Stapeln zueinander fluchten und nach dem Zusammenfügen den Driftbereich der Driftröhre (100) und zwei integrierte Gaskanäle ausbilden.
Beim Verlöten mit einer Aktivlotpaste entstehen dünne elektrisch leitfähige Schichten, die die einzelnen Röhrensegmente der Driftröhre (100) fest und gasdicht miteinander verbinden. Die elektrisch leitfähigen Schichten umschließen dabei auch die Öffnungen (91), die im zusammengefügten Zustand den Driftbereich der Driftröhre (100) ausbilden, und dienen als Feldelektroden zur Erzeugung eines axialen elektrischen Driftfeldes.
Die Röhrensegmente (90) der Driftröhre (100) sind abwechselnd spiegelbildlich gestapelt. Da die Röhrensegmente (90) nicht spiegelsymmetrisch sind, überdecken sich deren Kontaktflächen nicht vollständig, so dass die elektrisch leitfähigen Schichten teilweise freiliegen und von außen kontaktiert werden können. Die Außenkontur der Röhrensegmente (90) ist so geformt, dass dort beim Stapeln ein Schlitz parallel zur Driftröhrenachse entsteht, in den entsprechend der 6b) eine elektrische Leiterplatte (95) eingeschoben werden kann. Die Leiterplatte (95) weist Kontaktstreifen (96) aufweist, deren Abstand den Positionen der elektrisch leitfähigen Schichten der Driftröhre (100) entsprechen. Jeder elektrisch leitfähigen Schicht (Feldelektrode) wird ein Kontaktstreifen (96) zugeordnet. Die elektrische Kontaktierung erfolgt durch direktes Verkleben mit einem leitfähigen Klebstoff.
Die beiden gegenüberliegenden Kerben (94) am Außenrand der Röhrensegmente (90) dienen zu deren Ausrichtung. Mit ihrer Hilfe werden alle Teile zwischen zwei senkrecht auf einer Grundplatte stehende parallele Rundstäbe im Abstand der Kerben aufgestapelt.
Die beiden kleinen Öffnungen (92) und (93) in den Röhrensegmenten (90) bilden zwei integrierte Gaskanäle, die im zusammengefügten Zustand zueinander und zum Driftbereich der Driftröhre (100) abgedichtet sind. Zur Verbindung der integrierten Gaskanäle mit dem Driftbereich wird vorzugsweise zwischen zwei isolierenden Röhrensegmenten (90) ein verbindendes Röhrensegment aus Metall (nicht dargestellt) eingefügt werden, die eine definierte Verbindung zwischen einem der integrierten Gaskanäle und dem Driftbereich herstellt.
Mit der Kenntnis der Erfindung ist es dem Fachmann möglich, eine Vielzahl weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsformen zu entwerfen.

Claims

Driftröhre eines Ionenmobilitätsspektrometers, die aus Röhrensegmenten zusammengefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Röhrensegmente mindestens zwei von einander getrennte Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen im zusammengefügten Zustand neben einem Driftbereich mindestens einen Gaskanal ausbilden, der entlang der Driftröhrenachse verläuft, und dass mindestens ein verbindendes Röhrensegment eingefügt ist, das einen Gaskanal quer zur Driftröhrenachse bildet und den Driftbereich mit einem der entlang der Driftröhrenachse verlaufenden Gaskanäle verbindet.
Driftröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verbindende Röhrensegmente eingefügt sind, die entlang der Driftröhrenachse verlaufende Gaskanäle untereinander und/oder einen Reaktionsraum der Driftröhre mit einem Außenraum des Ionenmobilitätsspektrometers verbinden.
Driftröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhre aus elektrisch leitfähigen und isolierenden Röhrensegmenten zusammengefügt ist.
Driftröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente aus Metall, einem leitfähigen Kunststoff, einer leitfähigen Keramik, einem leitfähig beschichteten Kunststoff oder einer leitfähig beschichteten Keramik bestehen.
Driftröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhre aus isolierenden Röhrensegmenten zusammengefügt ist, wobei sich zwischen zwei isolierenden Röhrensegmenten eine leitfähige Schicht befindet.
Driftröhre nach einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Röhrensegmente aus Keramik oder Kunststoff bestehen.
Driftröhre nach einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Röhrensegmente oder die leitfähigen Schichten vom Innenraum bis in den Außenraum der Driftröhre reichen und dort elektrisch angeschlossen sind.
Driftröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen der Röhrensegmente ebene parallele Flächen sind, die im zusammengefügten Zustand senkrecht zur Driftröhrenachse ausgerichtet sind.
Driftröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftröhre ein Bestandteil der mechanischen Stützkonstruktion des Ionenmobilitätsspektrometers ist.
Driftröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem der Gaskanäle ein Filtermaterial und/oder ein Dopantmaterial befindet.
Driftröhre nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Röhrensegmente Formelemente oder Dichtungsflächen zur Kontaktierung pneumatischer Bauelemente oder Sensoren enthalten.