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Die Erfindung betrifft einen Ionenmobilitätsspektrometer sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ionenmobilitätsspektrometers.
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Die vorliegende Erfindung findet Einsatz auf dem Gebiet von Sicherheitsüberprüfungen, insbesondere mit einem Ionenmobilitätsspektrometer, zum Auffinden von Drogen und/oder Sprengstoffen mittels der Ionenmobilitätsspektrometertechnik.
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Die Patentschrift
US 6,797,948 B1 beschreibt eine Multipol-Ionenführung, die im Zusammenhang mit verschiedenen massenspektrometrischen Detektionsverfahren eingesetzt werden kann. Die dabei vorzugsweise im Vakuum betriebene Multipolanordnung dient dabei in erster Linie zum Führen der Ionen von einer Ionenquelle zu dem jeweiligen Analysesystem. Dabei werden verbleibende Neutralteilchen aufgrund des Unterdrucks aus dem System entfernt. Der Multipol kann dabei auch als Ionenfalle eingesetzt werden.
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Die Patentschrift
US 6,933,498 B1 betrifft ein Ionenfallensystem, das aus einer Vielzahl von einzelnen Ionenfallen aufgebaut ist. Dazu sind diese in einem zweidimensionalen Array angeordnet. Jede einzelne Ionenfalle des zusammenhängenden Arrays weist eine zentrale Elektrode sowie an beiden Seiten eine Endelektrode auf.
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Das Verfahren zum Betreiben des Ionenmobilitätsspektrometers betrifft das Speichern und Abziehen von zu identifizierenden Ionen mit einem Ionenmobilitätsspektrometer.
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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.
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Die chinesische Patentanmeldung
CN 1544931 A 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 Stuck 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.
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Die US-Patentanmeldung US 5 200 614 A 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.
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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.
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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.
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Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenmobilitätsspektrometer geschaffen, mit
- a) einer Elektrode,
- b) einer Ionenquelle, die benachbart zur Elektrode angeordnet ist,
- c) zumindest einer fokussierenden Führungselektrode, die auf der von der Elektrode abgelegenen Seite der Ionenquelle angeordnet und als Trichter ausgebildet ist, um Ionen von der Ionenquelle auszustoßen,
- d) einem Speicherabschnitt, der auf der Ionen ausstoßenden Seite der fokussierenden Führungselektrode angeordnet ist, um Ionen, die von der Ionenquelle erzeugt wurden, zu speichern, und
- e) einer in auf der Ionen ausstoßenden Seite des Speicherabschnitts angeordneten Driftzone, wobei
- f) der Speicherabschnitt eine Elektrode an einem ersten Ende, eine zwischenliegende Elektrode und eine Elektrode an einem zweiten Ende, die in dieser Reihenfolge in Richtung der Ionenbewegung angeordnet sind, aufweist,
- g) die Elektrode am ersten Ende durch eine Metallfolie gebildet wird, die eine Öffnung aufweist, und
- h) die Elektrode am zweiten Ende als eine netzartige Metallfolie ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Abstand zwischen der Elektrode am ersten und am zweiten Ende weniger als 4 mm.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ionenmobilitätsspektrometer ferner eine weitere Elektrode auf, die an der Ausstoßseite des Speicherabschnittes angeordnet ist, und die die erste Elektrode der Driftzone bildet.
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Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem Speicherabschnitt und dieser weiteren Elektrode weniger als 3 mm.
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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.
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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.
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Vorzugsweise ist die Ionenquelle eine Isotopenquelle, eine Koronaentladungsquelle, eine Laserquelle, eine Ultraviolettquelle oder eine Röntgenstrahlquelle.
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Vorzugsweise bestehen sowohl die Elektrode als auch die weiteren Elektroden in Form eines Ringes oder eines Netzes.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Ionenmobilitätsspektrometers mit den Merkmalen nach einem der zuvor genannten bevorzugten Ausführungsbeispiele vorgeschlagen, bei dem
- a) in einem Ionenspeicherschritt Spannungen an die Elektrode, ein umgebendes Metallgehäuse der Ionenquelle, die fokussierende Führungselektrode und den Speicherabschnitt derart angelegt werden, dass zwischen diesen Spannungsunterschiede bestehen und diese relativ zueinander festgelegt sind, und ferner an die weitere Elektrode eine feststehende Spannung angelegt wird, so dass in dem Speicherabschnitt Ionen gespeichert werden, und
- b) 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.
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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.
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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 Spannungan der kombinierten Elektrode kann schwebend oder veränderbar sein, so dass ein Speichern oder ein Abziehen von Ionen möglich ist.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch den Aufbau eines Ionenmobilitätsspektrometers entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 schematisch Elektroden, wie sie in einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers eingesetzt werden;
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3A bis 3C abschnittsweise aufeinanderfolgende schematische Ansichten des Speicherabschnittes eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers;
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4 schematisch eine Seitenansicht des Speicherabschnittes des erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers;
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5 schematische Seiten- und Frontansichten der fokussierenden Führungselektrode, wie sie in einem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer eingesetzt wird;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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In der Ionenspeicherphase werden sich positive Ione 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
