-
Die
Erfindung betrifft einen Ionenmobilitätsspektrometer sowie
ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ionenmobilitätsspektrometers.
-
Die
vorliegende Erfindung findet Einsatz auf dem Gebiet von Sicherheitsüberprüfungen,
insbesondere mit einem Ionenmobilitätsspektrometer, zum Auffinden
von Drogen und/oder Sprengstoffen mittels der Ionenmobilitätsspektrometertechnik.
-
Das
Verfahren zum Betreiben des Ionenmobilitätsspektrometers
betrifft das Speichern und Abziehen von zu identifizierenden Ionen
mit einem Ionenmobilitätsspektrometer.
-
Ionenmobilitätsspektrometer
unterscheiden unterschiedliche Ionen aufgrund der Tatsache, dass unterschiedliche
Ionen in einem gleichförmigen schwachen elektrischen Feld
unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten aufweisen. Ein Ionenmobilitätsspektrometer
besteht üblicherweise aus einem Probeneinlassabschnitt,
einem Ionisierungsabschnitt, einem Ionentor, einer Driftzone, einem
Sammelabschnitt, einem Messkreis, sowie einem Datensammel- und einem
Verarbeitungs- und Steuerungsabschnitt, etc. Im Stand der Technik
wird ein sogenanntes Bradbury-Nielson-Tor eingesetzt, um erzeugte
Ionen während der Toröffnungsphase der Driftzone
zuzubringen. Die erzeugten Ionen werden während der Torschließphase
durch das Ionentor auf die den Ionisierungsabschnitt umgebende Rohrwand
verstreut und somit vergeudet, ohne dass diese gespeichert werden.
-
Das
chinesische Patent Nr. 200310106393.6 beschreibt
ein Verfahren zum Speichern von Ionen, bei dem drei Stücke
an Netzelektroden einen Teil des Bradbury-Nielson-Tors bilden, um
einen Speicherabschnitt zu bilden. Die Ionen werden in einem Bereich ohne
elektrischem Feld zwischen den ersten beiden Stücken der
Elektrode während der Ionenspeicherphase gespeichert. Sollen
die Ionen in den Driftabschnitt zur Ionenbewegung getrieben werden,
wird das erste Stück der Netzelektrode so verändert,
dass dieses Ionen in den Raum zwischen dem zweiten und dem dritten
Stück der Netzelektrode treibt. Anschließend wird
das zweite Stück der Netzelektrode so geschaltet, dass
die Ionen in die Driftzone bewegt werden, um sich dort weiter fortzubewegen
und zu unterscheiden. In diesem Fall müssen die gespeicherten
Ionen zweistufig durch die Netzelektroden hindurch treten, wobei
ein Aufeinandertreffen und ein Streuen der Ionen die Empfindlichkeit
beeinflusst. Zusätzlich verlangt dieses Verfahren eine
sehr komplexe Steuerung.
-
Das
US-Patent Nr. 5,200,614 beschreibt ebenfalls
ein Verfahren zum Speichern von Ionen, bei dem die Empfindlichkeit
durch das Problem des Vermischens von positiven und negativen Ionen
in der Ionenspeicherphase beeinflusst wird. Wenngleich bei diesem
Verfahren der Aufbau dadurch vereinfacht ist, dass der Ionisierungsbereich
und der Speicherbereich integral aufgebaut sind, werden der Größe
und der Form der Ionenquelle gewisse Beschränkungen auferlegt,
die im weiteren Einsatz Probleme verursachen.
-
Beide
der zuvor genannten Lösungen verlangen eine lange Toröffnungsphase,
um die Ionen, insbesondere eine ausreichende Anzahl an Ionen, in die
Driftzone zu bringen. Dies verursacht eine Verbreiterung der Peakform
des Mobilitätsspektrums und beeinflusst die Auflösung
dieser Driftzone.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ionenmobilitätsspektrometer
und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, bei dem die
Empfindlichkeit und Auflösung wirksam verbessert werden
kann und der einfach und leicht gesteuert werden kann.
-
Entsprechend
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer geschaffen,
der eine Elektrode und eine Ionenquelle benachbart zur Elektrode
aufweist, wobei der Ionenmobilitätsspektrometer noch Folgendes
aufweist, nämlich eine fokussierende Führungselektrode,
die auf der von der Elektrode weiter abgelegenen Seite der Ionenquelle
angeordnet ist, und die als Trichter ausgebildet ist, um Ionen von
der Ionenquelle auszustoßen, und wobei ein Speicherabschnitt
auf der Ionen ausstoßenden Seite der fokussierenden Führungselektrode
angeordnet ist, um Ionen, die von der Ionenquelle erzeugt wurden,
zu speichern.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Speicherabschnitt eine
Elektrode an einem ersten Ende, eine Zwischenelektrode und eine
Elektrode an einem zweiten Ende auf, wobei diese in dieser Reihenfolge
angeordnet sind.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung wird die Elektrode am ersten Ende durch
eine Metallfolie gebildet, die eine Öffnung aufweist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektrode am
zweiten Ende als eine netzartige Metallfolie ausgebildet.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Abstand zwischen
der Elektrode am ersten und am zweiten Ende weniger als 4 mm.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ionenmobilitätsspektrometer
ferner eine weitere Elektrode auf, die an der Ausstoßseite des
Speicherabschnittes angeordnet ist.
-
Vorzugsweise
beträgt der Abstand zwischen dem Speicherabschnitt und
dieser weiteren Elektrode weniger als 3 mm.
-
Vorzugsweise
bestehen Spannungsunterschiede zwischen der Elektrode, dem umgebenden Metallgehäuse
der Ionenquelle, der fokussierenden Führungselektrode und
dem Speicherabschnitt, wobei diese Spannungen relativ zueinander
festgelegt sind. Die weitere Elektrode ist mit einer festen Spannung
beaufschlagt. Dadurch werden die Ionen in dem Speicherabschnitt
gespeichert.
-
Die
Spannungen an der ersten Elektrode, der umgebenden Metallgehäuse
der Ionenquelle, der fokussierenden Führungselektrode und
der Speicherabschnitte werden verändert, um in dem Speicherabschnitt
gespeicherte Ionen abzuziehen.
-
Vorzugsweise
ist die Ionenquelle eine Isotopenquelle, eine Koronaentladungsquelle,
eine Laserquelle, eine Ultraviolettquelle oder eine Röntgenstrahlquelle.
-
Vorzugsweise
besteht sowohl die Elektrode als auch die weiteren Elektroden in
Form eines Ringes oder eines Netzes.
-
Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betreiben eines Ionenmobilitätsspektrometers vorgeschlagen,
wobei der Ionen mobilitätsspektrometer eine Elektrode und
eine Ionenquelle benachbart zur Elektrode und ferner eine fokussierende
Führungselektrode aufweist, die auf der von der Elektrode
weiter abgelegenen Seite der Ionenquelle angeordnet ist und als
Trichter ausgebildet ist, um Ionen von der Ionenquelle auszustoßen,
wobei ferner ein Speicherabschnitt vorgesehen ist, der auf der Ionen
ausstoßenden Seite der fokussierenden Führungselektrode angeordnet
ist, um von der Ionenquelle erzeugte Ionen zu speichern, und der
ferner eine weitere Elektrode aufweist, die an der Ionenausstoßseite
des Speicherabschnittes angeordnet ist, wobei das Verfahren so ausgebildet
ist, dass in einem Ionenspeicherschritt Spannungen an die Elektrode,
das umgebende Metallgehäuse der Ionenquelle, der fokussierenden
Führungselektrode und dem Speicherabschnitt derart angelegt
werden, dass zwischen diesen Spannungsunterschiede bestehen, wobei
diese relativ zueinander festgelegt sind und wobei ferner an die
weitere Elektrode eine feststehende Spannung angelegt wird, so dass
in dem Speicherabschnitt Ionen gespeichert werden, und wobei in
einem Ionenabziehschritt die Spannungen an der Elektrode, dem umgebenden
Gehäuse der Ionenquelle, der fokussierenden Führungselektrode
und dem Speicherabschnitt derart verändert werden, dass
in dem Speicherabschnitt gespeicherte Ionen ausgestoßen
werden.
-
Das
Vorsehen der Trennung von Ionenquelle und Speicherabschnitt erleichtert
bei der vorliegenden Erfindung das Austauschen von unterschiedlichen
Ionenquellen, so dass eine Ionenquelle durch eine andere unterschiedliche
Ionenquelle ersetzt werden kann, ohne dass jegliche Änderungen
in dem nachfolgenden konstruktiven Aufbau durchgeführt werden
müssen.
-
Die
Netzelektrode, die Ionenquelle, die fokussierende Führungselektrode
und der Speicherabschnitt bilden eine kombinierte Elektrode. Zwischen der
Netzelektrode, der Ionenquelle, der fokussierenden Führungselektrode
und dem Speicherabschnitt existieren Spannungsunterschiede und diese
sind relativ zueinander festgelegt. Die erste Ringelektrode ist
mit einer festgelegten Spannung beaufschlagt. Die Spannung an der
kombinierten Elektrode kann schwebend oder veränderbar
sein, so dass ein Speichern oder ein Abziehen von Ionen möglich
ist.
-
Im
Ionenspeicherschritt können positive oder negative Ionen,
die gesammelt werden sollen, durch das elektrische Feld getrieben
werden und driften durch die fokussierende Führungselektrode
in den Speicherabschnitt, um dort gespeichert zu werden. Der Speicherabschnitt
kann, in Richtung der Ionenbewegung gesehen, sehr klein ausgebildet
werden, wohingegen sein Durchmesser sehr groß sein kann, wobei
das innere elektrische Feld nahezu Null ist. Dadurch ist es möglich,
eine größere Menge an Ionen mit einer sehr kleinen
Klusterdicke zu sammeln, wobei deren gerichtete Geschwindigkeit
nahezu Null ist. Dies führt zu einer Verringerung der Spreizung des
Ionenmobilitätsspektrums und verbessert die Auflösung.
-
Im
Ionenabziehschritt wird die Spannung an der kombinierten Elektrode
verändert, um die Ionen in die Driftzone zu drücken.
Unmittelbar darauf folgend wird die Gesamtspannung wieder auf den
Speicherzustand hergestellt.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen
Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert
und beschrieben. Es zeigen:
-
1 schematisch
den Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers entsprechend
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
2 schematisch
Elektroden, wie sie in einem Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers
eingesetzt werden;
-
3A bis 3C abschnittsweise
aufeinanderfolgende schematische Ansichten des Speicherabschnittes
eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers;
-
4 schematisch
eine Seitenansicht des Speicherabschnittes des erfindungsgemäßen
Ionenmobilitätsspektrometers;
-
5 schematische
Seiten- und Frontansichten der fokussierenden Führungselektrode,
wie sie in einem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer
eingesetzt wird;
-
6 ein
schematisches Diagramm, das die Potentiale der entsprechenden Elektroden
zeigt, falls der erfindungsgemäße Ionenmobilitätsspektrometer entsprechend
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem
positiven Ionenmodus arbeitet; und
-
7 ein
schematisches Diagramm, bei dem die Spannungsänderung gegenüber
der Zeit der entsprechenden Elektroden aufgetragen ist, falls sich der
erfindungsgemäße Ionenmobilitätsspektrometer entsprechend
einer Ausführungsform in einem positiven Ionenmodus befindet.
-
Die
Erfindung kann sowohl in einem negativen Ionenmodus als auch in
einem positiven Ionenmodus betrieben werden. Aus Gründen
der Knappheit und zur Erläuterung wird nur der positive
Ionenmodus nachfolgend speziell beschrieben.
-
Bei
dem in 1 schematisch dargestellten Ionenmobilitätsspektrometer
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist dieser mit einer Netzelektrode 1,
einer Ionenquelle 2, einer fokussierenden Führungselektrode 3,
einem Speicherabschnitt 4, einer ersten Ring-/Netzelektrode 5,
einer weiteren Ringelektrode 6 und einer Faradayplatte 7 ausgestattet.
-
Erfindungsgemäß kann
die Ionenquelle 2 eine Isotopenquelle, wie 63Ni,
oder kann eine andere Quelle sein, wie beispielsweise eine Koronaentladungsquelle,
eine Laserquelle, eine Ultraviolettquelle oder eine Röntgenstrahlquelle
sein.
-
Die
Netzelektrode 1 kann, wie aus 2 ersichtlich
und durch das Bezugszeichen 8 angedeutet, ausgebildet sein,
also mit viereckigen Öffnungen, es können jedoch
auch andere Typen an Öffnungen vorgesehen sein, wie hexagonale Öffnungen
oder kreisförmige Öffnungen. Die erste Ringelektrode 5 kann so
ausgebildet sein, wie das in 2 durch
das Bezugszeichen 9 angedeutet ist, also nur als Ring,
oder wie das in 2 mit dem Bezugszeichen 8 angedeutet
ist, also als Ring mit einem Netz.
-
In 3A bis 3C ist
schematisch der Aufbau des Speicherabschnittes 4 des erfindungsgemäßen
Ionenmobilitätsspektrometers dargestellt. 4 ist
eine Seitenansicht des zusammengesetzten Speicherabschnittes 4 des
erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers.
-
Wie
in 4 dargestellt weist der Speicherabschnitt 4 ein
metallisches Gehäuse auf, das an einer Seite als eine dünne
Metallfolie 10 ausgebildet ist, die ein kleines kreisförmiges
Loch aufweist, wie das aus 3A zu
erkennen ist. Der zwischenliegende Abschnitt des Speicherabschnittes 4 ist
aus einem umfänglichen Ring 11 gebildet, wie er
auch aus 3B ersichtlich ist. Die andere
Seite des Speicherabschnittes 4 ist aus einer dünnen
Metallfolie 12 gebildet, die, wie das aus 3C ersichtlich
ist, als Netz ausgebildet ist. Die Drähte des Netzes sind
so ausgebildet, dass sie so dünn wie möglich sind.
Der Abstand zwischen den beiden Metallfolien 10 und 12 sollte
weniger als 4 mm betragen. In dem Innenraum des Speicherabschnittes 4 ist
eine Zone ausgebildet, die kein elektrisches Feld aufweist.
-
Wie
aus 5 zu erkennen bezeichnen die Bezugsziffern 13 und 14 eine
Seiten- bzw. eine Frontansicht der fokussierenden Führungselektrode 3. Die
fokussierende Führungselektrode 3 ist als ein Trichter
ausgebildet, der ausgehend von der Seite, die der Ionenquelle 2 zugewandt
ist, größer wird, sich also aufweitet (siehe auch 1).
-
Dadurch
bildet sich ein fokussierendes elektrisches Feld zum Führen
von Ionen aus. Es ist auch möglich, dass eine Gruppe solcher
fokussierender Elektroden herangezogen wird, um Ionen zu fokussieren.
Darüber hinaus sollte der Abstand zwischen dem Speicherabschnitt 4 und
der ersten Ringelektrode 5 weniger als 3 mm betragen, um
das Ausstoßen der Ionen zu erleichtern.
-
6 zeigt
die Potentiale der entsprechenden Elektroden, falls der erfindungsgemäße
Ionenmobilitätsspektrometer in einem positiven Ionenmodus
arbeitet. Das Bezugszeichen 15 steht für die Spannung,
die an die Netzelektrode 1 angelegt ist. Das Bezugszeichen 16 steht
für die Spannung, die an die Ionenquelle 2 angelegt
ist. Das Bezugszeichen 17 steht für die Spannung,
die an die fokussierende Führungselektrode 3 angelegt
ist. Das Bezugszeichen 18 steht für die Spannung,
die an dem Speicherabschnitt 4 angelegt ist. Das Bezugszeichen 19 steht
für die Spannung, die an die erste Ring- oder Netzelektrode 5 angelegt
ist.
-
In 6 bezeichnet
die durchgezogene Linie die Potentiale an der Netzelektrode 1,
der Ionenquelle 2, der fokussierenden Führungselektrode 3 und
dem Speicherabschnitt 4 in dem Ionenspeicherzustand. Die
gestrichelte Linie steht für die Potentiale an der Netzelektrode 1,
der Ionenquelle 2, der fokussierenden Führungselektrode 3 und
dem Speicherabschnitt 4 in dem Ionenabziehzustand. Die
auf die Netzelektrode 1, die Ionenquelle 2, die
fokussierende Führungselektrode 3 und den Speicherabschnitt 4 angelegten
Spannungen können schwebend sein. Es bestehen Spannungsunterschiede
zwischen der Netzelektrode 1 und dem umgebenden Metallgehäuse
der Ionenquelle 2 und zwischen der fokussierenden Führungselektrode 3 und
dem Speicherabschnitt 4. Die erste Ring- oder Netzelektrode 5 wird
mit einer festen Spannung beaufschlagt. Die erste Ring- oder Netzelektrode 5 und
die darauffolgenden Ringelektroden 6 werden mit einer gleichmäßig
abnehmenden Spannung beaufschlagt, um die Driftzone auszubilden.
Die durchgezogene Linie 20 steht für Spannungen
an Stellen nach der Ringelektrode, wobei diese Spannungen sowohl
in der Ionenspeicherphase als auch in der Ionenabzugsphase unverändert bleiben.
-
In
der Ionenspeicherphase werden sich positive Inne auf ein gut ausgebildetes
Potential bewegen, wie das durch das Bezugszeichen 18 dargestellt ist,
um gespeichert zu werden. Die Spannungen an den entsprechenden Stellen
können so angepasst werden, dass ein Potential mit einer
geeigneten Stärke ausgebildet wird, und zwar im Hinblick
auf eine maximale Speicherkapazität und einem schnellen Abziehen.
-
In
der Ionenabziehphase werden die Spannungen, die an die Netzelektrode 1,
die Ionenquelle 2, die fokussierende Führungselektrode 3 und
den Speicherabschnitt 4 angelegt sind, simultan angehoben
zu Spannungen, wie sie durch die gestrichelten Linien angedeutet
sind, wodurch die Ionen in die Driftzone gestoßen werden,
um dort zu driften und sich voneinander zu trennen. Daraufhin werden
die gesamten Spannungen wieder auf diejenigen Werte eingestellt,
wie sie in der Speicherphase vorherrschen.
-
In 7 ist
die Spannungsänderung gegenüber der Zeit aufgetragen,
und zwar bezüglich der jeweiligen Elektroden, falls der
erfindungsgemäße Ionenmobilitätsspektrometer
sich in einem positiven Ionenmodus befindet. Die in 7 ersichtlichen
Bezugszeichen 21, 22, 23, 24 und 25 bezeichnen
Wellenformen der Spannungen, die an die Netzelektrode 1,
die Ionenquelle 2, die fokussierende Führungselektrode 3,
den Speicherabschnitt 4 und die erste Ringelektrode 5 angelegt
sind, wobei sich die Spannungen mit der Zeit ändern.
-
In
der Speicherphase sind die Spannungen an der Netzelektrode 1,
der Ionenquelle 2 und der fokussierenden Führungselektrode 3 jeweils
größer als die Spannung am Speicherabschnitt 4.
Die Spannung 25 an der ersten Ring- oder Netzelektrode 5 ist auch
größer als die Spannung 22 an dem Speicherabschnitt 4.
Durch Einstellen der Basislinienspannungen, wie sie durch die Bezugsziffern 21, 22, 23, 24 und 25 dargestellt
sind, und der Sprung- oder Übergangsgröße
kann die Ionenspeicherkapazität maximiert werden und die
Ionen können rasch ausgestoßen werden.
-
Wenn
die Ionen aus dem Speicherabschnitt 4 in die Driftzone
ausgetrieben werden sollen, werden die an der Netzelektrode 1,
der Ionenquelle 2, der fokussierenden Führungselektrode 3 und
dem Speicherabschnitt 4 angelegten Spannungen simultan
um einen gewissen Größenwert angehoben, so dass
diese größer sind als die Spannung 25 an
der ersten Ringelektrode 5. Auf diese Weise können
die Ionen in die Driftzone übergetrieben werden. Anschließend
werden die Spannungen wieder so eingestellt, wie sie in dem Speicherzustand
vorhanden sind.
-
Wie
bereits erwähnt erlaubt das Vorsehen der Trennung von Ionenquelle
und Speicherabschnitt entsprechend der vorliegenden Erfindung einen leichteren
Austausch von unterschiedlichen Ionenquellen. Dadurch kann eine
Ionenquelle durch eine andere Ionenquelle ersetzt werden, ohne dass
irgendwelche Änderungen in den darauffolgenden Abschnitten
durchgeführt werden müssen.
-
Die
Netzelektrode 1, die Ionenquelle 2, die fokussierende
Führungselektrode 3 und der Speicherabschnitt 4 bilden
eine kombinierte Elektrode. Spannungsunterschiede existieren zwischen
der Netzelektrode 1 und dem umgebenden Metallgehäuse
der Ionenquelle 2, der fokussierenden Führungselektrode 3 und
dem Speicherabschnitt 4 und diese sind relativ zueinander
festgelegt, wobei die erste Ringelektrode 5 mit einer festen
Spannung beaufschlagt wird. Daher kann die Spannung an der kombinierten
Elektrode schweben und sich verändern, um ein Speichern
oder ein Abziehen von Ionen zu ermöglichen.
-
In
der Ionenspeicherphase werden die zu sammelnden positiven oder negativen
Ionen durch das elektrische Feld bewegt und Driften durch die fokussierende
Führungselektrode 3 in den Speicherabschnitt 4,
um dort gespeichert zu werden. Der Speicherabschnitt 4 kann
in Richtung der Ionenbewegung sehr kurz oder dünn ausgebildet,
sein Durchmesser kann dahingegen sehr groß sein. Das innere
elektrische Feld ist praktisch Null. Dadurch ist es möglich, eine
große Menge an Ionen mit einer sehr kleinen Klusterdicke
zu sammeln, und zwar mit einer Geschwindigkeit in Richtung der Ionendriftbewegung von
etwa Null, was zu einer Reduktion der Spreizung des Ionenmobilitätsspektrums
führt und zu einer Erhöhung in der Auflösung.
-
In
der Ionenabziehphase wird die Spannung an der kombinierten Elektrode
verändert, um die Ionen in die Driftzone zu drücken.
Unmittelbar darauf folgend wird die Gesamtspannung wieder auf den Speicherzustand
eingestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - CN 200310106393 [0005]
- - US 5200614 [0006]