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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Sicherheitsüberprüfungstechnologie,
insbesondere ein Ionenspeicherungssystem und ein Verfahren für Überprüfungseinrichtungen
zum Auffinden von Drogen und Sprengstoff mit Hilfe von Ionen-Mobilitäts-Technik.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Ionen-Mobilitäts-Spektrometer
unterscheiden verschiedene Ionen gemäß der Tatsache,
dass verschiedene Ionen in einem gleichmäßig schwachen
elektrischen Feld unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten aufweisen.
Die Anwendung von Ionenspeicherung verbessert die Empfindlichkeit
von Ionen-Mobilitäts-Spektrometern bis zu einer Pikogramm-Größenordnung.
Bei herkömmlicher Ionenspeicherung, wie beispielsweise
in der Patentschrift
US 5,200,614 und
der Patentschrift
CN 200310106393.6 beschrieben,
tritt Ionenverlust aufgrund der schlechten Grenzbedingung des elektrischen
Felds auf.
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In
Massenspektrographen verwendete Ionenspeicherfallen sind im allgemeinen
an beiden Seiten mit Endelektroden und einer perforierten Zwischenelektrode
ausgebildet. Die Speicherung und Extraktion von Ionen wird durch
Anpassung der an die beiden Endelektroden und die perforierte Zwischenelektrode
angelegten Spannungen ermöglicht. Ähnlich wie
bei in Massenspektrographen genutzten Ionenspeicherfallen offenbart
die Patentschrift
US 6,124,592 ein
einzelnes Ionenspeicherungsverfahren. Bei diesem Verfahren muss
der Speicherungsraum jedoch größer sein, um das
Erfordernis hinsichtlich des Speicherpotentials im Falle von sowohl einer
Ionisationszone als auch einem Driftraum mit einem größeren
Durchmesser zu erfüllen. Folglich müssen die Ionen
eine größere Entfernung wandern, um den Speicherungsraum
zu verlassen. Dies erfordert einen längeren Gate-Öffnungszeitbereich
und eine höhere Spannung. Ferner erhöhen sich
Inkonsistenzen hinsichtlich der Startpunkte unterschiedlicher in
den Driftraum eintretender Ionen.
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Die
Patentschrift
US 6,933,498 offenbart eine
Ionenfallen-Array-basierte Speicherlösung zum Verbessern
der Effizienz von Ionenspeicherung. Bei dieser Lösung wird
zwischen jeder von Endelektroden und einer Zwischenelektrode ein
Isolator mit Löchern angeordnet, von den jede einer Ionenspeicherfalle
entspricht. Die Ionen können auf den Isolator stoßen,
wodurch Ladungsübertragung bzw. -anhäufung und
nachfolgende Entladung ausgelöst wird. Dies wird zu Instabilität
bei der Ionenspeicherung führen und die Empfindlichkeit
verschlechtern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Array-basiertes Ionenspeicherungssystem und
ein Verfahren für ein Ionen-Mobilitäts-Spektrometer
bereitzustellen, welche die Empfindlichkeit und die Auflösung
bedeutsam verbessern.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Array-basiertes
Ionenspeicherungssystem bereitgestellt, welches aufweist: einen Ionenerzeugungsabschnitt;
und einen Ionenspeicherungsabschnitt, aufweisend eine erste Endelekterode,
die mit dem Ionenerzeugungsabschnitt gekoppelt und so ausgebildet
ist, dass sie eine Mehrzahl von Löchern aufweist, eine
zweite Endelektrode, die so ausgebildet ist, dass sie eine Mehrzahl
von Löchern aufweist, eine Zwischenelektrode, die so ausgebildet ist,
dass sie eine Mehrzahl von Löchern aufweist, einen ersten
Isolator, der in der Form eines Rings ausgebildet ist und der zwischen
der ersten Endelektrode und der Zwischenelektrode angeordnet bzw.
eingeschoben ist, um sie voneinander zu isolieren, und einen zweiten
Isolator, der in der Form eines Rings ausgebildet ist und der zwischen
der Zwischenelektrode und der zweiten Endelektrode angeordnet bzw. eingeschoben
ist, um sie voneinander zu isolieren
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Vorzugsweise
weist jedes Loch der Zwischenelektrode einen Durchmesser D1 auf,
der so groß wie ein- bis zweimal der Abstand L2 des Speicherabstands
ist.
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Vorzugsweise
ist D1 = √2 L2.
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Vorzugsweise
weist der Ionenerzeugungsabschnitt mindestens eines von 63Ni bzw. einer 63Ni Quelle,
einer Korona-Entladungsquelle, einem Laser, ultravioletter (UV)
Strahlung bzw. einer UV-Strahlungsquelle und Röntgenstrahlung
bzw. einer Röntgenstrahlungsquelle auf.
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Vorzugsweise
wird an den Ionenerzeugungsabschnitt und die erste Endelektrode
eine erste Spannung angelegt, an die Zwischenelektrode eine zweite
Spannung angelegt und an die zweite Endelektrode eine Festspannung
angelegt.
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Vorzugsweise
weist das Array-basierte Ionenspeicherungssystem eine Mehrzahl von
Ringelektroden auf, die im Abstand von der zweiten Endelektrode
angeordnet sind, wobei sich einheitlich bzw. gleichmäßig ändernde
Spannungen an die Mehrzahl von Ringelektroden angelegt werden.
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Vorzugsweise
können die ersten und zweiten Spannungen potentialfrei
sein (floating), wobei zwischen ihnen eine Spannungsdifferenz vorhanden ist.
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Gemäß einem
anderem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
für ein Array-basiertes Ionenspeicherungssystem bereitgestellt,
wobei das Array-basierte Ionenspeicherungssystem aufweist: einen
Ionenerzeugungsabschnitt und einen Ionenspeicherungsabschnitt, aufweisend eine
erste Endelektrode, die mit dem Ionenerzeugungsabschnitt gekoppelt
und so ausgebildet ist, dass sie eine Mehrzahl von Löchern
aufweist, eine zweite Endelektrode, die so ausgebildet ist, dass
sie eine Mehrzahl von Löchern aufweist, eine Zwischenelektrode,
die so ausgebildet ist, dass sie eine Mehrzahl von Löchern
aufweist, einen ersten Isolator, der in der Form eines Rings ausgebildet
ist und der zwischen der ersten Endelektrode und der Zwischenelektrode
angeordnet ist, um sie voneinander zu isolieren, und einen zweiten
Isolator, der in der Form eines Rings ausgebildet ist und der zwischen
der Zwischenelektrode und der zweiten Endelektrode angeordnet ist,
um sie voneinander zu isolieren; wobei das Verfahren aufweist einen
Speicherschritt eines Anlegens einer ersten Spannung an den Ionenerzeugungsabschnitt
und die erste Endelektrode, eines Anlegens einer zweiten Spannung
an die Zwischenelektrode, wobei die zweite Spannung eine HF Spannung
mit einer Gleichvorspannungskomponente (DC bias) ist, und eines
Anlegens einer Festspannung an die zweite Endelektrode, wobei eine
Spannungsdifferenz zwischen der ersten Spannung und der Gleichvorspannungskomponente
der zweiten Spannung existiert, so dass ein Speicherraum zum Speichern von
Ionen an der Zwischenelektrode gebildet wird; und einen Extraktionsschritt
eines Änderns der ersten und zweiten Spannungen, um die
in dem Speicherraum gespeicherten Ionen zu verringern.
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Mit
den obigen Lösungen gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Ionenspeicherungsabschnitt für ein gewöhnliches
Ionen-Mobilitäts-Spektrometer dünner gestaltet
werden, unter der Voraussetzung, dass das Spannungserfordernis für
Ionenspeiche rung erfüllt und keine Verringerung hinsichtlich
der Speichereffektivität verursacht wird. Der dünnere
Ionenspeicherungsabschnitt vereinfacht die Konsistenz bei der Ionenextraktion,
verhindert die Ausdehnung von Ionen-Mobilitäts-Spektrums-Spitzen
und verfeinert die Auflösung.
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Zusätzlich
sind die ersten und zweiten Isolatoren so ausgebildet, dass sie
ein großes Loch aufweisen. Somit können die Ionen
bei Ionenvibration oder thermischer Bewegung in dem Speicherraum nicht
auf beiden Seiten auf das Isolationsmaterial stoßen. Deshalb
werden an dem Isolator keine Ladungsübertragung und -anhäufung
und nachfolgende Entladung auftreten, wodurch eine Instabilität
der Speicherung und ein Verlust von Ionen unterdrückt wird.
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Während
der Ionenspeicherungsphase werden zu sammelnde positive oder negative
Ionen durch das elektrische Feld bewegt und driften zu der Zwischenelektrode
des Array-basierten Speicherabschnitts. Dort bilden sie eine Anzahl
von Zonen ohne ein elektrisches Feld, d. h. Ionenspeicherungsraum. Während
der Ionenextraktionsphase werden die Spannungen an dem Ionenerzeugungsabschnitt,
an einer der Endelektroden und der Zwischenelektrode des Array-basierten
Speicherungsabschnitts verändert, um die Ionen von dem
Speicherungsraum zu dem Driftraum zu bewegen. Danach werden unmittelbar
die gesamten Spannungen zu jenen während der Speicherungsphase
wiederhergestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Schnittdiagramm eines Array-basierten Ionenspeicherungssystems
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein schematisches Schnittdiagramm einer Ionisationszone und eines
Array-basierten Speicherungsraums in dem System der 2;
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3a bis 3F sind
ausführliche Strukturdiagramme der in 2 gezeigten
Ionisationszone und des Array-basierten Speicherungsraums;
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4 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Potentiale jeweiliger Elektroden
zeigt, wenn das System gemäß einer Ausfüh rungsform
der vorliegenden Erfindung in einem positiven Ionenmodus betrieben
wird; und
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5 ist
ein schematisches Diagramm, welches Spannungsänderung über
der Zeit der jeweiligen Elektroden zeigt, wenn das System gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einem positiven Ionenmodus betrieben
wird.
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Ausführliche Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Nun
wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren
und Ausführungsformen weiter beschrieben. Die vorliegende
Erfindung kann entweder bei einem negativen Ionenmodus oder einem
positiven Ionenmodus verwendet werden. Um die Erfindung prägnant
zu veranschaulichen, wird hier nur der positive Ionenmodus speziell
beschrieben.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt, weist das Array-basierte
Ionenspeicherungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Ionenerzeugungsabschnitt 1, einen Array-basierten
Speicherungsabschnitt 2, eine Gruppe von Ringelektroden 3 und
eine Faraday-Platte 4, usw. auf.
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Der
Ionenerzeugungsabschnitt 1 ist eine Ionsierungsquelle,
sowie Nickel 63, eine Korona-Entladungsquelle, ein Laser,
ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlung, usw.
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Bezugnehmend
auf 2 sind der Ionenerzeugungsabschnitt 1 und
der Array-basierte Speicherungsabschnitt 2 zusammen integriert
und weisen auf eine Netzelektrode 5, welche die in 3A gezeigte
Form hat, eine erste Endelektrode 6, welche die in 3B gezeigte
Form mit einer Mehrzahl von Löchern hat, einen ersten Ringisolator 7,
welcher die in 3C gezeigte Form hat, eine Zwischenelektrode 8,
welche die in 3D gezeigte Form mit einer Mehrzahl
von Löchern hat, einen zweiten Ringisolator 9,
welcher die in 3E gezeigte Form hat, und eine
zweite Endelektrode 10, welche die in 3F gezeigte
Form mit einer Mehrzahl von Löchern hat, wobei die Elektroden
und Isolatoren in der genannten Reihenfolge angeordnet sind.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt werden
die Mehrzahl von Löchern an den beiden Endelelektroden 6, 10 und
der Zwischenelektrode 8 in einer eins-zu-eins-Übereinstimmung
bereitgestellt. Die ersten und zweiten Isolatoren 7, 9 trennen
die ersten und zweiten Endelektroden 6, 10 nur
an ihren Randbereichen von der Zwischenelektrode 8 und
isolieren sie elektrisch voneinander. Es gibt nur ein einzelnes großes
Loch in der Mitte jeder der ersten und zweiten Isolatoren 7, 9,
so dass die zwei Isolatoren 7, 9 jeweils als ein
Ringisolator ausgebildet sind. Dank des Isolationsmaterials mit
einem großen Loch auf beiden Seiten können Ionen
während Ionenvibration oder thermischer Bewegung in dem
Speicherraum nicht auf beiden Seiten auf das Isolationsmaterial
stoßen. Aus diesem Grund wird an dem Isolator keine Ladungsübertragung
und -anhäufung und eine anschließende Entladung
auftreten, wodurch Speicherinstabilität und Verlust von
Ionen verhindert wird.
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Ferner
ist der Ionenerzeugungsabschnitt 1 mechanisch und elektrisch
mit einer Seite des Array-basierten Speicherungsabschnitts 2 gekoppelt, der
dünn ausgebildet ist, um die Konsistenz bei der Ionenextraktion
zu vereinfachen und die Ausdehnung von Ionen-Mobilitäts-Spektrums-Spitzen
zu verringern. Die an den Ionenerzeugungsabschnitt 1 und
die erste Endelektrode 6 und die Zwischenelektrode 8 des
Array-basierten Speicherungsabschnitts 2 angelegten Spannungen
unterscheiden sich durch gewisse Spannungsunterschiede und können
potentialfrei sein (floaten). An die zweite Endelektrode 10 des
Array-basierten Speicherungssystems 2 wird eine Festspannung
angelegt und an die Ringelektroden 3 werden Spannungen
angelegt, die sich einheitlich bzw. gleichmäßig ändern,
um einen Driftraum zu erzeugen.
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Die
Löcher an den obigen Endelektroden sind bevorzugt als Kreise
ausgebildet. Es können auch Löcher jeder anderen
Form verwendet werden, so wie hexagonal, viereckig, usw. Für
jedes Loch ist D1 vorzugsweise ein- bis zweimal L2, wobei L2 weniger
als 5 mm ist und vorzugsweise D1 = √2 L2. In diesem Fall stellt D1 den
Durchmesser jedes kreisförmigen Lochs auf der Zwischenelektrode 8 oder
den effektiven Durchmesser jedes Lochs mit einer anderen Form dar.
L2 betrifft einen Abstand zwischen den beiden Endelektroden 6 und 10.
D1 und L2 können auch gemäß praktischen
Anwendungen ausgewählt werden.
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Bezugnehmend
auf die 2 und 4 bezeichnet
die Bezugsziffer 11 die an den Ionenerzeugungsabschnitt 1 und
die erste Endelektrode 6 angelegte Spannung und die Bezugsziffer 12 bezeichnet die
Gleichvorspannungskomponente (DC bias) der an die Zwischenelektrode 8 angelegten
HF Spannung, wobei die Spannungen 11, 12 potentialfrei
sein können. Zusätzlich wird an die zweite Endelektrode 10 eine
Festspannung 13 angelegt. An die Ringelektroden 3 werden
Spannungen 14 angelegt, die sich einheitlich bzw. gleichmäßig
verringern, um den Driftraum zu bilden. In der 4 zeigt
die gestrichelte Linie die Spannungen zu jeweiligen Zeitpunkten
wäh rend der Ionenextraktionsphase, die durchgezogene Linie
zeigt die Spannungen zu jeweiligen Zeitpunkten während
der Ionenspeicherungsphase und die durchgezogene Linie 14 zeigt
die Spannungen zu jeweiligen Zeitpunkten in dem Driftraum, wobei
die Spannungen während der Speicherungs- und Extraktionsphasen
unverändert bleiben.
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Während
der Ionenspeicherungsphase wird die Spannung 11 sowohl
an die erste 6 als auch die zweite 10 Endelektrode
angelegt und die HF Spannung 12, welche eine geringere
Gleichvorspannung (DC bias) als die Spannung 11 aufweist,
wird an die Zwischenelektrode 8 angelegt. Als Ergebnis
werden sich die positiven Ionen zu der Position bewegen, bei der
sich der Potentialtopf 12 gebildet hat, und werden dort
gespeichert. Ferner können die Frequenzen und Amplituden
der Vorspannungs- und HF-Spannungskomponenten der Spannung 12 angepasst
werden, um einen Potentialtopf mit einer passenden Tiefe zu erzeugen.
Mit anderen Worten werden während der Ionenspeicherungsphase
die zu sammelnden positiven oder negativen Ionen von dem elektrischen
Feld bewegt und wandern zu der Zwischenelektrode 8 des Array-basierten
Speicherungsabschnitts 2, wobei sie dort eine Anzahl von
Zonen ohne elektrisches Feld, d. h. Ionenspeicherungsraum, bilden.
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Wenn
die an die erste Endelektrode 6 und die Zwischenelektrode 8 angelegten
Spannungen 11, 12 von dem Niveau der durchgezogenen
Linie auf das Niveau der gestrichelten Linie erhöht werden
und die HF-Spannungskomponente der Spannung 12 ausgeschaltet
wird, werden die Ionen zum Driften und zur Unterscheidung in den
Driftraum bewegt bzw. geführt. Nachfolgend werden die gesamten Spannungen
zu jenen währen der Speicherungsphase wiederhergestellt.
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In
der 5 zeigt die Bezugsziffer 15, dass sich
die Wellenform der an den Ionenerzeugungsabschnitt 1 und
die erste Endelektrode 6 angelegten Spannung über
der Zeit ändert, die Bezugsziffer 16, dass sich
die Wellenform der an die Zwischenelektrode 8 angelegten
Spannung über der Zeit ändert und die Bezugsziffer 17,
dass sich die Wellenform der an die zweite Endelektrode 10 angelegten
Spannung über der Zeit ändert.
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In
der Speicherungsphase sind die an den Ionenerzeugungsabschnitt 1 und
die erste Endelektrode 6 angelegten Spannungen 15 identisch
und größer als die an die Zwischenelektrode 8 angelegte Spannung 16.
Die vergrößerte Ansicht des oberen rechten Bereichs
der 5 zeigt die HF-Spannungswellenform, welcher die
Gleichvorspannung (DC bias voltage) überlagert ist. Bei
der Wellenform kann es sich um eine Rechteckswelle, eine Sinuswelle,
eine Sägezahnwelle und dergleichen han deln. Die Ionen werden
in einer Mehrzahl von Zonen mit keinem bzw. null elektrischem Feld
bei der Zwischenelektrode 8 gespeichert.
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In
der Ionenextraktionsphase sind die an den Ionenerzeugungsabschnitt 1 und
die erste Endelektrode 6 angelegten Spannungen 15 und
die an die Zwischenelektrode 8 angelegte Spannung 16 jeweils größer
als die an die zweite Endelektrode 10 angelegte Spannung 17.
Währenddessen wird die Wechselspannungskomponente (AC)
von der Spannung 16 entfernt. Die Ionen werden aus dem
Speicherraum herausbewegt und gelangen in den Driftraum.
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Mit
den obigen Lösungen gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Ionenspeicherungsabschnitt für ein gewöhnliches
Ionen-Mobilitäts-Spektrometer dünner gestaltet
werden, unter der Voraussetzung, dass das Spannungserfordernis für
Ionenspeicherung erfüllt und keine Verringerung hinsichtlich
der Speichereffektivität verursacht wird. Der dünnere
Ionenspeicherungsabschnitt vereinfacht die Konsistenz bei der Ionenextraktion,
verhindert die Ausdehnung von Ionen-Mobilitäts-Spektrums-Spitzen
und verfeinert die Auflösung.
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Zusätzlich
weist das Isolationsmaterial der ersten und zweiten Isolatoren 7, 9 große
Löcher auf, die für Ionenwanderung geeignet sind.
Dadurch können die Ionen während Ionenvibration
oder thermischer Bewegung in dem Speicherraum nicht auf beiden Seiten
auf das Isolationsmaterial stoßen. Deshalb treten keine
Ladungsübertragung und -anhäufung an dem Isolator
und nachfolgende Entladung auf, wodurch Speicherinstabilität
und Verlust von Ionen unterdrückt wird.
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Während
der Ionenspeicherungsphase werden zu sammelnde positive oder negative
Ionen von dem elektrischen Feld bewegt und driften zu der Zwischenelektrode 8 des
Array-basierten Speicherungsabschnitts 2 und bilden dort
eine Anzahl von Zonen ohne ein elektrisches Feld, d. h. Ionenspeicherungsraum.
Während der Ionenextraktionsphase werden die Spannungen
an dem Ionenerzeugungsabschnitt 1, der ersten Endelektrode 6 und
der Zwischenelektrode 8 des Array-basierten Speicherungsraums 2 verändert,
um die Ionen von dem Speicherungsraum zu dem Driftraum zu bewegen.
Danach werden die gesamten Spannungen unmittelbar wieder zu jenen der
Speicherungsphase wiederhergestellt.
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Die
vorangegangene Beschreibung betrifft nur bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und es ist nicht beabsichtigt, dass diese
die vorliegende Erfindung beschränken. Gewöhnliche Fachleute
werden erkennen, dass jede Verände rung oder Ersetzung des
Prinzips der vorliegenden Erfindung unter den durch die beigefügten
Ansprüche definierten Umfang der vorliegenden Erfindung
fallen sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5200614 [0002]
- - CN 200310106393 [0002]
- - US 6124592 [0003]
- - US 6933498 [0004]