DE102015106418B3

DE102015106418B3 - Messung des elektrischen Stromverlaufs von Partikelschwärmen in Gasen und im Vakuum

Info

Publication number: DE102015106418B3
Application number: DE102015106418.9A
Authority: DE
Inventors: Uwe Renner
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN106093515A; GB2538378A; GB2538378B; CN106093515B; US10192715B2; US20160314932A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Stromverläufe von frei fliegende Ionen- oder Elektronenschwärmen, die auf eine Detektorelektrode eines Faraday-Detektors treffen. Die Detektionselektrode besteht dabei aus einer Vielzahl bipolar angeordneter Strukturelemente, wobei benachbarte Strukturelemente jeweils der anderen Polarität angehören, Strukturelemente einer Polarität elektrisch verbunden sind und zwischen benachbarten Strukturelementen eine Spannung angelegt ist, so dass Ionen oder Elektronen vor dem Auftreffen auf die Detektionselektrode im Wesentlichen auf die Strukturelemente einer der beiden Polaritäten abgelenkt werden. Werden die Stromverläufe auf den Strukturelementen der beiden Polarität getrennt gemessen und voneinander subtrahiert, ergibt sich ohne Verwendung eines Schirmgitters ein Stromverlauf, der dem reinen Ionen- oder Elektronenstromverlauf entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Ströme von frei fliegenden elektrischen geladenen Partikeln (Teilchen) wie Ionen oder Elektronen, die auf eine Detektorelektrode eines Faraday-Detektors treffen, beispielsweise in Ionenmobilitätsspektrometern. Die Erfindung bezieht sich im Besonderen auf die Vermeidung von Verzerrungen der Signale durch influenzierte Bildströme.
Stand der Technik
Die Messung der elektrischen Ströme von frei fliegenden elektrisch geladenen Partikeln wie Elektronen oder Ionen durch eine plane Detektorelektrode wird durch die Bildströme verzerrt, die von den anfliegenden Partikeln in der Detektorelektrode induziert werden. Die Verzerrung tritt besonders in Ionenmobilitätsspektrometern auf, und besteht in einem allmählichen Ansteigen des Ionensignals, wie es in der , die schematisch ein Ionenmobilitätsspektrometer und ein Mobilitätsspektrum zeigt, durch die Kurven (6) und (7) schematisch dargestellt wird. Es wird dadurch die Mobilitätsauflösung der Größenordnung nach um mehr als die Hälfte herabgesetzt. Die Verzerrung kann in bekannter Weise durch ein (freitragendes) Schirmgitter vor der Detektorelektrode vermindert werden, wobei aber, besonders bei miniaturisierten tragbaren Geräten mit sehr feinen Schirmgittern, stark störende Mikrophonie-Effekte auftreten. Die Schirmgitter fangen außerdem einen Teil des Partikelstroms ein und verringern auf diese Weise die Empfindlichkeit. Die Verzerrung der Partikelbahnen durch Ablenkung am Schirmgitter verringert die Mobilitätsauflösung. Außerdem tragen Schirmgitter beträchtlich zu den Kosten der Herstellung bei.
Die Vermeidung eines Schirmgitters wird, wie in der Patentschrift US 7,838,823 B1 von K. B. Pfeifer und A. N. Rumph mit dem Titel „Ion Mobility Spectrometer with Virtual Aperture Grid“ beschrieben, durch freien Zufluss von Ladungen zu den letzten Elektroden des felderzeugenden Elektrodenstapels im Ionenmobilitätsspektrometer ermöglicht. Diese Ladungen können die Ladung des ankommenden Ionenschwarms teilweise kompensieren und so die Bildströme in der Detektorelektrode vermindern, jedoch nicht vollständig unterdrücken. Die Autoren nennen das ein „virtuelles Gitter“.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 025 727 A1 von U. Renner mit dem Titel „Messung von Ionenmobilitätsspektren mit Analogmodulation“ betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Messung von Mobilitätsspektren von Ionen, wobei der Ionenstrom am Eingang einer Driftstrecke analog moduliert wird, der Ionenstrom am Ende der Driftstrecke mit einem Ionendetektor ohne Abschirmgitter detektiert werden kann und ein Mobilitätsspektrum aus dem gemessenen Ionenstrom rekonstruiert wird.
Es besteht weiterhin Bedarf nach einer besseren Unterdrückung der durch die Bildströme erzeugten Verzerrung, möglichst ohne ein Schirmgitter verwenden zu müssen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, mit dem der elektrische Stromverlauf (Strom-Zeit-Kurve, Stromkurve) frei fliegender Schwärme elektrisch geladener Partikel, die auf eine Detektorelektrode treffen, gemessen wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet ist, dass die Detektorelektrode aus einer Vielzahl bipolar angeordneter Strukturelemente besteht, wobei benachbarte Strukturelemente jeweils der anderen Polarität angehören und alle Strukturelemente jeweils einer Polarität zusammengeschlossen sind. Eine Spannung wird zwischen den beiden Gruppen von Strukturelementen verschiedener Polaritäten angelegt, so dass die ankommenden Partikel kurz vor dem Auftreffen auf die Detektorelektrode so abgelenkt werden, dass sie nur die Strukturelemente einer Polarität treffen. Die Stromverläufe an den Strukturelementen beider Polaritäten werden jeweils getrennt gemessen und voneinander subtrahiert, wobei die Bildstromverläufe, die sich in beiden Gruppen von Strukturelementen in praktisch gleicher Weise bilden, voneinander abgezogen werden und ein Stromverlauf gewonnen wird, der dem reinen Partikelstrom entspricht. Die Strukturelemente sind auf einer Fläche angeordnet, insbesondere als plane Detektorelektrode.
Unter frei fliegenden Partikeln sollen hier insbesondere Elektronen oder Ionen verstanden werden, die sich in einem Gas oder im Vakuum bewegen, gegebenenfalls unter dem Einfluss von elektrischen und oder magnetischen Feldern. Bei den frei fliegenden Partikelschwärmen kann es sich beispielsweise um Ionen in einem Mobilitätsspektrometer handeln, aber auch um Elektronen, die in einem Massenspektrometer durch Ionen in einer Vielkanalplatte erzeugt werden. Die Ionen bewegen sich in dem Mobilitätsspektrometer beispielsweise in einem Gas bei Atmosphärendruck, während die frei fliegenden Elektronen beim Arbeitsdruck der Vielkanalplatte, also in der Regel im Hochvakuum, erzeugt und gemessen werden.
Das Verfahren kann verfeinert werden, indem beim Subtrahieren der beiden Stromverläufe eine Gewichtung vorgenommen wird. Das Messen und Subtrahieren der Stromverläufe kann in einer analogen elektrischen Messelektronik erfolgen, zum Beispiel mittels eines Differenzverstärkers (Operationsverstärker) nach Wandlung der Stromverläufe in Spannungssignale. Die Stromverläufe werden dabei in der Regel vor der Wandlung vorverstärkt. Eine andere Möglichkeit besteht in der Umsetzung der analogen (gegebenenfalls verstärkten) Stromverläufe in digitale Daten mittels zweier Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) und deren Weiterverarbeitung in einer Rechenreinheit. Die Verstärker, Differenzverstärker und AD-Wandler sind bevorzugt auf der Rückseite eines Trägers angeordnet, auf dessen Vorderseite sich die Strukturelemente der Detektorelektrode befinden.
Die Detektorelektrode kann beispielsweise als ein bipolares Strichgitter, als eine pixelförmige Struktur aus Quadraten oder Dreiecken, aber auch als eine Struktur konzentrischer oder konzentrischer Spiralen (gekurvte Strichgitter) oder als labyrinth-förmige Struktur ausgeformt sein.
Die Erfindung stellt einen Faraday-Detektor zur Messung des elektrischen Stromverlaufs von Schwärmen von elektrisch geladenen Partikeln bereit, wobei der Faraday-Detektor eine Detektionselektrode aufweist, deren Detektionsfläche an ein gasgefülltes oder evakuiertes Volumen grenzt. Der Faraday-Detektor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode aus einer Vielzahl bipolar angeordneter Strukturelemente besteht, wobei benachbarte Strukturelemente jeweils der anderen Polarität angehören und Strukturelemente einer Polarität elektrisch verbunden sind. Der Faraday-Detektor weist zudem mindestens eine Spannungsversorgung und eine Messelektronik auf. Die mindestens eine Spannungsversorgung ist mit den beiden Gruppen von Strukturelementen verbunden und versorgt die beiden Gruppen von Strukturelementen so mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen, dass aus dem Volumen kommende Partikel im Wesentlichen auf die Strukturelemente einer Polarität abgelenkt werden. Bevorzugt ist jede Gruppe von Strukturelemente mit jeweils einer Spannungsversorgung (Gleichspannungsgenerator) verbunden. Mit der Messelektronik werden die die Stromverläufe an den Strukturelementen beider Polaritäten jeweils getrennt gemessen.
Ein Differenzsignal der Stromverläufe an den Strukturelementen beider Polaritäten kann beispielsweise mittels eines Differenzverstärkers nach einer Strom-Spannungs-Wandlung (IU-Wandler) erfolgen. Der IU-Wandler, der Differenzverstärker und ggf. ein oder mehrere Vorverstärker können Bestandteil der Messelektronik sein. Die Messelektronik kann aber auch zwei Analog-Digital-Wandler umfassen, die die (gegebenenfalls verstärkten) Stromverläufe in zwei getrennte digitale Datenströme umwandelt, aus denen ein Differenzsignal ermittelt wird.
Das Volumen befindet sich bei einer Messung von Elektronenschwärmen in der Regel beim Arbeitsdruck von Sekundärelektronenvervielfachern (z.B. Mikrokanalplatten), in denen die Elektronenschwärme erzeugt werden. Der Arbeitsdruck liegt in der Regel im Hochvakuum (p < 0.1 Pa). Für die Messung von Ionen in einem Mobilitätsspektrometer kann der Druck im Volumen aber auch Atmosphärendruck betragen.
Die Detektionselektrode ist bevorzugt plan. Sie kann beispielsweise als ein bipolares Strichgitter, als eine pixelförmige Struktur oder Parkettierung bevorzugt aus Quadraten oder Dreiecken, aber auch als eine Struktur konzentrischer oder konzentrischer Spiralen (gekurvte Strichgitter) oder als labyrinth-förmige Struktur ausgeformt sein. Die Strukturelemente können auf einem Träger angeordnet sein, aber auch mechanisch freitragend sein. Der Träger kann aus einem Isolator bestehen (>10⁶ Ohm·m) oder eine hochohmig leitende (10² – 10⁶ Ohm⋅m) Oberfläche aufweisen. Die Strukturbreiten und Abstände der Strukturelemente sind bevorzugt kleiner als 2000µm, insbesondere kleiner 1000µm, besonders bevorzugt zwischen 50µm und 250µm, können aber durchaus auch kleiner als 50µm sein.
Die elektrischen Felder zur Ablenkung von Ionen auf die Strukturelemente einer Polarität betragen in einem Mobilitätsspektrometer an Atmosphärendruck bevorzugt kleiner 1000 V/cm, zumindest wesentlich kleiner als die Durchbruchfeldstärke im Gas. Für die Ablenkung von geladenen Partikeln im Vakuum sind je nach Abstand der Strukturelemente und kinetischer Energie, mit der sich die Partikel auf die Detektionselektrode zu treffen, Feldstärken notwendig, die ungefähr proportional zu U/D sind, wobei U die von den Partikel durchlaufene Beschleunigungsspannung vor der Detektionselektrode und D der Abstand zwischen benachbarten Strukturelemente unterschiedlicher Polarität ist. Bei einer Beschleunigungsspannung von U = 500V und einem Abstand von D = 0.5mm ergibt sich eine Ablenkfeldstärke von 10000 V/cm.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die zeigt links schematisch ein Ionenmobilitätsspektrometer, jedoch ohne Gaskreislauf, Probenzufuhr und Elektronik. Im Raum (1) wird Probendampf ionisiert, beispielsweise durch Elektronen aus einer Schicht aus radioaktivem Nickel ⁶³Ni.
Die Ionen werden durch ein elektrisches Feld, das durch elektrische Potentiale am Stapel (5) aus Ringelektroden aufgebaut wird, zum Schaltgitter (2) gezogen und dort weitgehend vernichtet. Das Schaltgitter (2) kann beispielsweise ein bipolares Schaltgitter nach Bradbury-Nielsen sein. Ein kurzzeitiges Öffnen des Schaltgitters lässt eine Wolke von Ionen in die Driftstrecke ein. Die Wolke löst sich dann in einzelne Schwärme (3) und (4) von Ionen verschiedener Mobilität auf, die durch die Driftstrecke driften, wenn Ionen verschiedener Mobilität vorhanden sind. Die Ionenschwärme fliegen in einigen Millisekunden Driftzeit mit verschiedenen Driftgeschwindigkeiten auf die Detektorelektrode (10) zu, wobei sie bei Annäherung Bildströme auf der Detektorelektrode (10) erzeugen, bevor sie auftreffen. Beim Auftreffen vernichten die Ionenschwärme die durch die Bildströme aufgebauten Oberflächenladungen wieder. Die Stromverläufe der Ionenschwärme werden mit der Messeinrichtung (13) gemessen und sind, wie rechts gezeigt, als Signale in dem Ionenmobilitätsspektrum dargestellt. Die Signale des Mobilitätsspektrums sind wegen der Bildströme durch langsam ansteigende Flanken (6) und (7) verzerrt und zeigen ein nur geringes Mobilitätsauflösungsvermögen.
Die zeigt, wie das Messsignal einer positiven Punktladung +q durch Bildströme verzerrt wird. Auf der linken Seite der Abbildung sind untereinander vier Stadien (t₁ – t₄) der Annäherung der Punktladung +q an die Detektorelektrode (10) dargestellt. Wie üblich, kann die Wirkung der Bildströme durch die Vorstellung einer virtuellen Spiegelladung –q, die sich in gleicher Entfernung auf der anderen Seite der Detektoroberfläche (11) befindet, dargestellt werden. In der Realität bildet sich eine schichtförmige Ladungsverteilung auf der Detektoroberfläche (11), die eine der Spiegelladung –q entsprechende Potentialverteilung erzeugt. Während des Aufbaus der Ladung für diese schichtförmige Ladungsverteilung fließt ein negativer Strom gegen die Pfeilrichtung (12) (also ein positiver Strom in Pfeilrichtung) aus dem Ladungsreservoir (14) zur Detektorelektrode (10). Dieser Strom wird in der Messeinrichtung (13) als positiver Strom angezeigt und gemessen. Auf der rechten Seite ist der Bildstrom i_i(t) als Funktion der Zeit, also über die Stadien t₁ bis t₄ hinweg, dargestellt. Er nimmt mit immer stärkerer Annäherung der Punktladung +q an die Detektoroberfläche (11) zu. Die durch die Bildströme auf der Oberfläche (11) aufgebaute Ladungssumme –q entspricht immer mehr der Ladung +q der Punktladung, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen. Die Ladungsverteilung wird bei zunehmender Annäherung immer mehr zu einem Punkt auf der Oberfläche (11) zusammengezogen. Im Augenblick t₄ der Berührung wird diese Bildladung –q genau von der Punktladung +q neutralisiert, es fließt somit abrupt kein Strom mehr durch die Messeinrichtung (13). Das Zeitintegral über den Bildstrom i_i(t), also die schraffierte Fläche im Diagramm auf der rechten Seite, ergibt genau die Ladung +q der Punktladung. Die Stromkurve entspricht jedoch nicht einer Delta-Funktion, wie sie für eine Punktladung als reale Stromkurve zu erwarten ist, sondern der ansteigenden und abrupt endenden Stromkurve des Diagramms i_i(t) auf der rechten Seite der Abbildung.
Die stellt einen analogen Vorgang dar, jetzt aber nicht für eine Punktladung, sondern für einen räumlich ausgedehnten Ionenschwarm, wie er beispielsweise im Ionenmobilitätsspektrometer nach vorliegt. Im rechten Teil der Abbildung ist oben ein Diagramm der Stromkurve i_i(t) eingezeichnet, wie sie von der Messeinrichtung (13) gemessen wird. Auch hier ist die Stromkurve i_i(t) durch den allmählichen Aufbau der Bildladung auf der Oberfläche (11) verzerrt, hört jedoch nicht abrupt auf, da der Vorgang der Neutralisierung durch den Schwarm ankommender Ionen zeitlich auseinandergezogen wird. Die Kurve i_i(t) ist eine Überlagerung von zeitlich verschobenen Stromkurven aus , mit einer Gewichtung, die der Ladungsverteilung im Schwarm entspricht. Die Neutralisierung beginnt mit der Ankunft der ersten Partikel zum Zeitpunkt t₃. Der Partikelstrom beginnt hier, die Bildladung zu neutralisieren, wobei jedoch immer noch ein Bildstrom durch die Messeinrichtung (13) fließt, da sich die Mehrzahl der Partikel noch weiter annähert. Der Strom durch die Messeinrichtung (13) endet genau zum Zeitpunkt t = t₅. Es ist dann der Partikelschwarms vollständig auf die Detektorelektrode gelangt. Im rechts unten eingezeichneten Diagramm i_p(t) ist gezeigt, wie der Strom der Ionen durch die Oberfläche (11) hindurch aussehen würde, wenn es keinen Bildstrom und keine Bildladung und damit auch keine Neutralisierung gäbe. Dieser Strom i_p(t) kann leider nicht direkt gemessen werden, er wird von der Messeinrichtung (13) nicht angezeigt. Es ist das Ziel der Erfindung, genau diesen Strom i_p(t) wiederzugeben.
Die gibt ein bipolares Strichgitter wieder, wie es für die Erfindung verwendet werden kann. Ein solches Strichgitter kann beispielsweise auf einer Leiterplatte aufgebracht sein. Die linear ausgebildeten Elektroden der beiden Gruppen sind jeweils zusammengeschlossen; die Elektroden der beiden Gruppen können durch die Spannungsversorgungen (21) und (22) auf verschiedene Potentiale gelegt werden. Die Messeinrichtungen (19) und (20) können die Ströme zwischen den Elektrodengruppen und dem Reservoir (14) messen, ohne jedoch zwischen Bildströmen und den elektrischen Strömen der Partikel unterscheiden zu können. Die Richtungspfeile (17) und (18) geben die Richtung positiver Ströme an.
In ist zu sehen, wie ankommende Partikel (50) kurz vor der Detektorelektrode durch das elektrische Feld, das durch eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden der Gruppe (30 bis 36) und den Elektroden der Gruppe (40 bis 45) aufgebaut wird, so abgelenkt werden, dass sie praktisch nur auf die Elektroden der Gruppe (40 bis 45) auftreffen. Ist die Strukturierung fein genug, so ist der Aufbau der Bildladungen durch die anfliegenden Partikel in beiden Gruppen von Elektroden praktisch gleich.
Die stellt die Wirkung der Erfindung dar. Als Detektorelektrode wird ein bipolar strukturiertes Gitter verwendet, beispielsweise ein bipolares Gitter nach , mit der Messeinrichtung (19) für die Messung des Stroms i_i1(t) und der Messeinrichtung (20) für die Messung des Stroms i_i2(t). Ein Schwarm von Ionen der Ladung +q nähert sich der Detektorelektrode und bildet in beiden Elektrodengruppen in gleicher Weise Bildströme (51) bzw. (53) aus. Die einzelnen Ionen werden aber, wie in gezeigt, im letzten Moment zu den Elektroden hin abgelenkt, die an der Messeinrichtung (19) hängen. Die beiden Stromdiagramme (Stromverläufe) auf der linken Seite zeigen die Ströme der beiden Messeinrichtungen (19) und (20). Im oberen Diagramm auf der linken Seite wird der Strom i_i1(t) an den Elektroden gezeigt, auf die die Partikel aufschlagen. Es bildet sich, wie schon in gezeigt, ein Bildstromverlauf (51) aus, der aber nur der Ladung +q/2 entspricht. Zum Zeitpunkt t₃, zu dem die ersten Partikel auf die Elektroden aufschlagen, beginnt die Neutralisierung der Bildladung, für die aber nur der halbe Partikelstrom gebraucht wird. Die andere Hälfte des Partikelstroms fließt über die Messeinrichtung ab und ergibt den Stromverlauf (52) über der fein schraffierten Fläche. Im unteren Diagramm i_i2(t) ist gezeigt, dass in den Elektroden, zu denen kein Partikelstrom fließt, ebenfalls ein Bildstromverlauf (53) ausgebildet wird. Zum Zeitpunkt t₃, zu dem die ersten Partikels die anderen Elektroden treffen und damit die Ladung des Schwarms abnimmt, wird auch der Bildstrom kleiner, obwohl sich immer noch weitere Partikel den Elektroden nähern. Mit der Abnahme der Ladung im Schwarm fließt ein Teil der Bildladung zurück. Die Kurve (55) gibt den Aufbau der Bildladung wieder, wenn kein Rückfluss an Ladung stattfände; die Kurve (56) gibt den Rückfluss der Ladung wieder, wenn kein weiterer Aufbau der Bildladung stattfände. Als Resultat ergibt sich ein Stromverlauf, der durch die Kurve (57) dargestellt wird. Dieser Stromverlauf, zunächst positiv, später negativ, wird in der Messeinrichtung (20) gemessen. Zieht man jetzt den Stromverlauf i_i2(t) vom Stromverlauf i_i1(t) ab, so erhält man, wie im rechten Diagramm gezeigt, den Verlauf des reinen Partikelstroms i_p(t).
Die zeigt eine Struktur aus Elektrodenquadraten.
Die zeigt eine Struktur aus gleichschenkligen Dreiecken.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Ströme von frei fliegenden, elektrischen Teilchen wie Ionen oder Elektronen, die auf eine in der Regel plane Detektorelektrode treffen, beispielsweise in Ionenmobilitätsspektrometern.
In ist links schematisch ein solches Ionenmobilitätsspektrometer gezeigt, jedoch zum besseren Verständnis ohne Gaskreislauf, Probenzufuhr und Elektronik. Im Raum (1) wird Probendampf ionisiert, beispielsweise durch Elektronen aus einer Schicht aus radioaktivem Nickel ⁶³Ni. Die Ionen werden durch ein elektrisches Feld, das durch elektrische Potentiale am Stapel (5) aus Ringelektroden aufgebaut wird, zum Schaltgitter (2) gezogen und dort weitgehend vernichtet. Das Schaltgitter (2) kann beispielsweise ein bipolares Schaltgitter nach Bradbury-Nielsen sein. Ein kurzzeitiges Öffnen des Schaltgitters lässt eine kleine Wolke von Ionen in die Driftstrecke ein. Die Wolke löst sich dann in einzelne Schwärme (3) und (4) von Ionen verschiedener Mobilität auf, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Driftstrecke driften, wenn Ionen verschiedener Mobilität vorhanden sind. Die Driftzeiten betragen in der Regel einige Millisekunden. Die Ionenschwärme fliegen auf die Detektorelektrode (10) zu, wobei sie bei Annäherung Bildströme auf der Detektorelektrode (10) erzeugen, bevor sie auftreffen. Beim Auftreffen vernichten die Ionenschwärme die durch die Bildströme aufgebauten Oberflächenladungen wieder. Die Stromverläufe der Ionenschwärme werden mit der Messeinrichtung (13) gemessen und sind, wie rechts gezeigt, als Signale in dem Ionenmobilitätsspektrum dargestellt. Die Signale des Mobilitätsspektrums sind wegen der Bildströme durch langsam ansteigende Flanken (6) und (7) verzerrt und zeigen ein nur geringes Mobilitätsauflösungsvermögen.
Die Erfindung bezieht sich im Besonderen auf die Vermeidung dieser Verzerrungen der Ionensignale durch influenzierte Bildströme, ohne dabei Schirmgitter zu verwenden. Zum Verständnis der Erfindung ist es notwendig, Aufbau und Verhalten der Bildströme genau zu verstehen.
In der wird gezeigt, wie das durch die Messeinrichtung (13) gemessene Messsignal einer positiven Punktladung +q, die sich auf die Detektorelektrode (10) zu bewegt und schließlich auf sie auftrifft, durch Bildströme verzerrt wird. In der linken Seite der Abbildung sind untereinander vier Stadien t₁ bis t₄ der Annäherung der Punktladung +q an die Detektorelektrode (10) dargestellt. Wie üblich, kann die Wirkung der Bildströme durch die Vorstellung einer virtuellen Spiegelladung –q, die sich in gleicher Entfernung auf der anderen Seite der Detektoroberfläche (11) befindet, dargestellt werden. In der Realität bildet sich eine schichtförmige Ladungsverteilung auf der Detektoroberfläche (11), die eine der Spiegelladung –q entsprechende Potentialverteilung erzeugt. Während des Aufbaus der Ladung für diese schichtförmige Ladungsverteilung fließt ein Strom negativer Ladungsträger (zum Beispiel Elektronen) gegen die Pfeilrichtung (12) aus dem Ladungsreservoir (14) zur Detektorelektrode (10). Dieser Strom negativer Ladungsträger wird in der Messeinrichtung (13) als positiver Strom angezeigt und gemessen. Im Diagramm auf der rechten Seite der ist dieser Bildstrom i_i(t) als Funktion der Zeit, also über die Stadien t₁ bis t₄ hinweg, dargestellt. Er nimmt mit immer stärkerer Annäherung der Punktladung +q an die Detektoroberfläche (11) zu. Die durch die Bildströme auf der Oberfläche (11) aufgebaute Ladungssumme –q entspricht immer mehr der Ladung +q der Punktladung, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen. Die Ladungsverteilung wird bei zunehmender Annäherung immer mehr zu einem Punkt auf der Oberfläche (11) zusammengezogen. Im Augenblick t₄ der Berührung wird diese Bildladung –q genau von der Punktladung +q neutralisiert, es fließt somit abrupt kein Strom mehr durch die Messeinrichtung (13). Das Zeitintegral über den Bildstrom i_i(t), also die schraffierte Fläche im Diagramm der rechten Seite, ergibt genau die Ladung +q der Punktladung. Die gemessene Stromkurve entspricht jedoch nicht einer Delta-Funktion, wie sie für eine Punktladung als reale Stromkurve zu erwarten ist, sondern der ansteigenden und abrupt endenden Stromkurve des Diagramms i_i(t) im rechten Teil der Abbildung.
Die Stromkurve sieht etwas anders aus, wenn sich ein räumlich ausgedehnter Schwarm von Ladungsträgern mit der Gesamtladung +q der Detektorelektrode (10) nähert und schließlich auftrifft. Die stellt einen solchen Vorgang mit einem räumlich ausgedehnten Ionenschwarm dar, wie er beispielsweise im Ionenmobilitätsspektrometer nach auftritt. Wieder werden vier Stadien t₁ bis t₄ der Annäherung betrachtet. Im rechten Teil der Abbildung ist oben in einem Diagramm die Stromkurve i_i(t) wiedergegeben, wie sie von der Messeinrichtung (13) gemessen wird. Auch hier ist die Stromkurve i_i(t) durch den allmählichen Aufbau der Bildladung auf der Oberfläche (11) gekennzeichnet, hört jedoch nicht abrupt auf, da der Vorgang der Neutralisierung durch den Schwarm ankommender Ionen zeitlich auseinandergezogen wird. Die Kurve i_i(t) ist eine Überlagerung von zeitlich verschobenen Stromkurven aus , die der Ladungsverteilung im Schwarm entsprechend gewichtet sind. Die Neutralisierung beginnt zum Zeitpunkt t₃ mit der Ankunft der ersten Ionen auf der Detektoroberfläche (11). Der Ionenstrom beginnt sofort, die Bildladung zu neutralisieren, wobei jedoch immer noch ein Bildstrom durch die Messeinrichtung (13) fließt, da sich die Mehrzahl der Ionen noch weiter annähert. Der Strom durch die Messeinrichtung (13) endet erst zum Zeitpunkt t = t₅. Es ist dann der Ionenschwarm vollständig auf die Detektorelektrode gelangt.
Im Gegensatz zur Stromkurve i_i(t) ist im rechts unten eingezeichneten Diagramm die Stromkurve i_p(t) gezeigt, wie der Ionenstrom durch die Oberfläche (11) hindurch aussehen würde, wenn keine es keinen Bildstrom und keine Bildladung und damit auch keine Neutralisierung gäbe. Dieser Strom i_p(t) kann leider nicht direkt gemessen werden, er wird von der Messeinrichtung (13) nicht angezeigt. Es ist das Ziel der Erfindung, genau diesen Strom i_p(t) wiederzugeben.
Die beiden Stromkurven i_i(t) und i_p(t) enthalten die gleiche Ladungsmenge, die durch die schraffierten Flächen wiedergegeben wird. Durch Vergleich der beiden Kurven kann man feststellen, dass die in der Messeinrichtung (13) gemessene Stromkurve i_i(t) eine Halbwertsbreite hat, die mehr als doppelt so groß ist wie die des Ionenstromes i_p(t). Gelingt es daher, diesen Ionenstrom ohne die Verzerrung zu messen, so steigt die Mobilitätsauflösung auf mehr als das Doppelte. Außerdem steigt bei gleichem Grundrauschen die Empfindlichkeit, die als Signalhöhe zu Rauschen definiert ist, wie man an der mehr als doppelten Höhe der Ionenstromkurve sehen kann.
In der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die in der Regel plane Detektorelektrode eines Faraday-Detektors für die Messung der Ströme geladener frei fliegender Partikel in eine Vielzahl feiner bipolar angeordneter Strukturelemente aufzulösen, beispielsweise in ein bipolares Strichgitter, wie es in zu sehen ist, oder in quadratische oder dreieckige Strukturelemente, wie in den und . Die Strukturelemente sollen zwei bipolare Gruppen bilden, wobei benachbarte Strukturelemente jeweils der anderen Gruppe angehören sollen. In den , und sind die zusammengehörigen Elektroden in gleicher Farbe abgebildet. Die Strukturelemente sind bevorzugt auf einer isolierenden Unterlage (Träger) aufgebracht, beispielsweise auf elektronischen Leiterplatten oder auf Keramikplatten.
Die zeigt die Detektionselektrode eines erfindungsgemäßen Faraday-Detektors, in der die Strukturelemente linienförmigen Elektroden eines bipolaren Strichgitters sind. Die linienförmigen Elektroden sind an den Enden zu zwei Gruppen (15, 16) zusammengeführt. Die beiden Gruppen (15, 16) sind jeweils an eine der Spannungsversorgungen (21, 22) und an eine der Messeinrichtungen (19, 20) für elektrische Ströme angeschlossen.
Zwischen den linienförmigen Elektroden der beiden Gruppen (15, 16) liegt eine Potentialdifferenz an, die ein elektrisches Feld erzeugen, dass geladene Partikel seitlich (hier: parallel zur Detektorebene und orthogonal zu den linienförmigen Elektroden) ablenkt. Ein Partikelschwarm, der auf die Detektorelektrode zufliegt, induziert vor dem Auftreffen in den beiden Gruppen (15, 16) von linienförmigen Elektroden die gleichen Bildströme. Die ankommenden Partikel des Schwarms werden aber, wie in dargestellt, durch die Potentialdifferenz zwischen den linienförmigen Elektroden (30–36, 40–45) kurz vor dem Auftreffen so abgelenkt, dass sie nur die Strukturelemente einer Polarität treffen, und zwar auf die linienförmigen Elektroden (40–45).
Die Ströme der beiden Gruppen von linienförmigen Elektroden (15, 16) werden jeweils getrennt in den Messeinrichtungen (19) und (20) als Funktion der Zeit gemessen und voneinander subtrahiert. Dadurch werden die Kurven der Bildströme, die sich in den beiden Gruppen (15, 16) in praktisch gleicher Weise ausbilden, voneinander abgezogen, und es bleibt eine Strom-Zeit-Kurve, die dem reinen Partikelstrom entspricht. Die Subtraktion kann in einem analogen Schaltkreis erfolgen oder auch nach einer Wandlung in digitale Daten in einem digitalen Schaltkreis (Rechenwerk). Die Schaltkreise sind dabei nicht in der dargestellt. Die analogen Schaltkreise, die Vorverstärker, Differenzverstärker oder AD-Wandler umfassen können, sind bevorzugt in der Nähe der linienförmigen Elektroden (15, 16) angeordnet, vorzugsweise auf der Rückseite eines Trägers, auf dessen Vorderseite sich die linienförmigen Elektroden (15, 16) befinden. Die auf der Rückseite angeordneten Schaltkreise sind zudem bevorzugt durch ein Gehäuse elektrisch abgeschirmt.
Die Strukturbreite und der Abstand der Strukturelemente (z.B. der linienförmige Elektroden in ) sind so gewählt, dass das seitlich ablenkende elektrische Feld nicht weit in das Volumen vor der Detektionselektrode hineinreicht. Die Strukturbreite und Abstände der Strukturelemente sind dabei bevorzugt kleiner als 1000µm, besonders bevorzugt kleiner als 500µm und insbesondere zwischen 50µm und 250µm. Sie können aber auch kleiner als 50µm und insbesondere kleiner als 10µm sein. Die Reichweite des ablenkenden elektrischen Feldes in das Volumen hinein ist ungefähr der einfache bis doppelte Abstand der Strukturelemente. Die Detektorfläche kann nahezu vollständig von den Strukturelementen bedeckt sein ( ). Es kann aber auch Lücken zwischen den Strukturelemente geben, wobei die Breite der Lücken etwa der Strukturbreite der Strukturelemente entspricht ( ).
In der ist die Funktionsweise der Erfindung im Detail dargestellt. Als Detektorelektrode wird hier ein bipolar strukturiertes Gitter verwendet, beispielsweise das bipolare Strichgitter nach , mit der Messeinrichtung (19) für die Messung des ersten Stromverlaufs i_i1(t) der ersten Elektrodengruppe (15) und mit der Messeinrichtung (20) für die Messung des zweiten Stromverlaufs i_i2(t) der zweiten Elektrodengruppe (16). Ein Schwarm von positiven Ionen der Ladung +q nähert sich der Detektorelektrode und bildet in beiden Elektrodengruppen in gleicher Weise Bildstromverläufe (51) bzw. (53) aus. Die einzelnen positiven Ionen werden aber, wie in gezeigt, im letzten Moment zur negativ vorgespannten Elektrodengruppe (15) hin abgelenkt, die an der Messeinrichtung (19) hängen.
Die beiden Diagramme auf der linken Seite der zeigen untereinander die an den beiden Messeinrichtungen (19) und (20) gemessenen Stromverläufe. Im oberen Diagramm wird der Stromverlauf i_i1(t) an der Elektrodengruppe (15) gezeigt, auf die die Ionen abgelenkt werden.
Es bildet sich, wie schon in gezeigt, ein Bildstromverlauf (51) aus, der aber in der Integration über die Zeit nur der halben Ladung +q/2 des Schwarms entspricht. Zum Zeitpunkt t₃, zu dem die ersten Ionen auf die Elektrodengruppe (15) aufschlagen, beginnt die Neutralisierung der Bildladung, für die aber nur der halbe Ionenstrom gebraucht wird. Die andere Hälfte des Ionenstroms fließt über die Messeinrichtung (19) ab und ergibt in Summe den Stromverlauf der Kurve (52), wobei die fein schraffierte Fläche zum Ionenstrom, und die grob schraffierte Fläche zum Bildstrom gehört. Die genaue Form der Stromverlaufs hängt von der Ionenverteilung im Schwarm ab.
Im unteren Diagramm i_i2(t) ist gezeigt, dass in der Elektrodengruppe (16), zu der kein Ionenstrom fließt, ebenfalls ein Bildstrom mit dem Verlauf (53) ausgebildet wird. Die Kurve (55) gibt den Aufbau der Bildladung wieder, wie er aussähe, wenn kein Rückfluss an Ladung stattfände. Zum Zeitpunkt t₃, zu dem die ersten Ionen auf die andere Elektrodengruppe (15) treffen und damit die Ladung des Schwarms abnimmt, setzt ein Rückfluss der Bildladung ein. Die Kurve (56) gibt den Rückfluss der Ladung wieder, wie er aussähe, wenn kein weiterer Aufbau der Bildladung stattfände. Tatsächlich überschneiden sich aber Aufbau der Bildladung und ihr Rückfluss, so dass in der Messeinrichtung (20) ein Strom gemessen wird, der der Kurve (57) entspricht. Dieser Stromverlauf ist zunächst positiv (grob schraffierte Fläche) und wird später negativ (fein schraffierte Fläche).
Zieht man jetzt, wie in der Erfindung vorgeschlagen, die Stromkurve i_i2(t) des unteren Diagramms von der Stromkurve i_i1(t) des oberen Diagramms ab, so erhält man, wie im rechten Diagramm gezeigt, den reinen Ionenstrom (Partikelstrom) i_p(t) = i_i1(t) – i_i2(t), da in der Differenz die Bildstromverläufe vollständig verschwinden. Zur Erinnerung: es ist genau dieser Partikelstromverlauf i_p(t), den die Erfindung zu messen sucht.
Für die Strukturierung der Detektorelektrode gibt es mehrere Ausführungsformen. Die einfachste Form ist die eines bipolaren Strichgitters, wie es in gezeigt wird. Um jede Mikrophonie zu vermeiden, wird das Gitter am besten aus Leiterbahnen auf einer festen, isolierenden Unterlage aufgebaut. Je feiner die Gitterstäbe und die Zwischenräume sind, umso geringer kann die Spannungsdifferenz zum Ablenken der geladenen Partikel gewählt werden. Es werden dann auch die Bildstromverläufe in den Strukturelementen beider Polaritäten immer ähnlicher, weil die Störungen durch die Ablenkung der Partikel immer geringer werden.
Es sei hier angemerkt, dass statt eines bipolaren Strichgitters auf einer isolierenden Unterlage auch ein frei liegendes bipolares Gitter nach Bradbury-Nielsen verwendet werden kann. Dieses hat den Vorteil, dass der häufig in einem Mobilitätsspektrometer vorwendete Gasstrom an gefilterter Luft (oder an Stickstoff) frei durch das Gitter den Ionen entgegen fließen kann. Außerdem kann man diese Gitter auf Durchfluss schalten, so dass die Partikel durch das Gitter hindurch zu einem zweiten Detektor fließen können, beispielsweise zu einem Massenspektrometer.
Ein Durchfluss des Gasstroms kann auch bei einem Gitter auf einer isolierenden Unterlage ermöglicht werden, wenn die Unterlage ein Muster an feinen Löchern aufweist.
Andere Ausführungsformen für Detektionselektroden mit bipolare Strukturen sind in den und gezeigt: Die pixelförmigen Quadrate und die Dreiecke können auf einer Leiterbahnen-Platine aufgebracht werden, müssen aber von hinten durch die Platine hindurch mit Zuleitungen versehen werden. Die Ecken der pixelförmigen Elemente können facettiert oder abgerundet sein. Als weitere Ausführungsformen kommen auch ineinander gewickelte Spiralen oder verschiedenartige Formen von Labyrinthen (sowohl mit kreisförmigen wie auch mit rechtwinkligen Strukturen) in Betracht. Wenn die pixelförmigen Elemente auf einem Träger angeordnet sind, so können die pixelförmigen Elemente einer Polarität durch Leiterbahnen in einer isolierten Lage auf einer Leiterplatte verbunden sein, während die pixelförmigen Elemente der anderen Polarität in einer anderen davon isolierten Lage der Leiterplatte verbunden werden.
Die Strukturelemente der Detektionselektrode können im Prinzip auf Platinen, auf Keramik oder beliebigen anderen Isolatoren aufgebracht werden. Es ist günstig, wenn zwischen den leitenden Elektroden Nuten in der Unterlage vorhanden sind, um Kriechströme und Aufladungen durch auftreffende Partikel zu vermeiden. Statt Nuten zu verwenden, können die Oberflächen der Unterlagen auch mit hochohmigem Material beschichtet sein. Es fließt dann zwar ein geringer Dauerstrom von beispielsweise fünf Picoampere, dieser ist aber im Prinzip unschädlich; als positiver Effekt werden aber alle Arten von elektrischen Aufladungen vermieden.
Sind die Flächen der Strukturelemente der beiden Polaritäten nicht genau gleich groß, oder wird durch das Ablenken der Partikel eine leichte Unsymmetrie der Bildströme erzeugt, so kann man bei der Subtraktion beiden Ströme auch eine Gewichtung w einführen: i_p(t) = i_i1(t) – w × i_i2(t). Das Gewicht w wird dabei so gewählt, dass ein möglichst verzerrungsfreier Stromverlauf gebildet wird.
Das Verfahren wurde hier beispielhaft für ein Ionenmobilitätsspektrometer beschrieben. Dieses Beispiel soll jedoch hier nicht einschränkend wirken. Es kann im Prinzip mit dieser Erfindung der Strom von Schwärmen beliebiger geladener Partikel, die auf eine Detektorelektrode fliegen, ohne die Verzerrungen der Bildströme gemessen werden. So können, um ein anderes Beispiel zu geben, in Flugzeitmassenspektrometern die Elektronen, die durch Ionen in einer Vielkanalplatte (MCP) gebildet und von einer Detektorplatte gemessen werden, in analoger Weise ohne die störenden Bildströme gemessen werden.

Claims

Verfahren zur Messung des elektrischen Stromverlaufs frei fliegender Schwärme elektrisch negativ oder positiv geladener Partikel, die auf eine Detektorelektrode treffen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Detektorelektrode aus einer Vielzahl bipolar angeordneter Strukturelemente besteht, wobei benachbarte Strukturelemente jeweils der anderen Polarität angehören und alle Strukturelemente jeweils einer Polarität elektrisch zu einer Gruppe zusammengeschlossen sind, – dass eine Spannung zwischen den beiden Gruppen von Strukturelementen verschiedener Polaritäten angelegt wird, wobei die Strukturbreite und der Abstand der Strukturelemente so gewählt sind, dass die ankommenden Partikel kurz vor dem Auftreffen so abgelenkt werden, dass sie nur die Strukturelemente einer Polarität treffen, – dass die Stromverläufe an den Strukturelementen beider Polaritäten jeweils getrennt gemessen werden, und – dass die beiden Stromverläufe voneinander subtrahiert werden, wobei die Bildstromverläufe, die sich in beiden Gruppen durch die Strukturierung der Strukturelemente in praktisch gleicher Weise bilden, voneinander abgezogen werden und ein Stromverlauf gewonnen wird, der dem reinen Partikelstrom entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Subtrahieren der beiden Stromverläufe eine Gewichtung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den frei fliegenden Partikelschwärmen um Ionen in einem Mobilitätsspektrometer handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den frei fliegenden Partikelschwärmen um Elektronen handelt, die in einem Massenspektrometer durch Ionen in einer Vielkanalplatte erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode ein bipolares Strichgitter ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode eine pixelförmige Struktur oder Parkettierung bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode eine Struktur aus konzentrischen Kreisen, konzentrischen Spiralen oder eine labyrinthförmige Struktur aufweist.
Faraday-Detektor zur Messung des elektrischen Stromverlaufs von Schwärmen von elektrisch negativ oder positiv geladenen Partikeln, wobei der Faraday-Detektor eine Detektionselektrode aufweist, deren Detektionsfläche an ein gasgefülltes oder evakuiertes Volumen grenzt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Detektorelektrode aus einer Vielzahl bipolar angeordneter Strukturelemente besteht, wobei benachbarte Strukturelemente jeweils der anderen Polarität angehören und alle Strukturelemente jeweils einer Polarität elektrisch zu einer Gruppe verbunden sind, – mindestens eine Spannungsversorgung vorhanden ist, die mit den beiden Gruppen von Strukturelementen verbunden ist und die beiden Gruppen von Strukturelementen so mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen versorgt, dass aus dem Volumen kommende Partikel auf die Strukturelemente nur einer Polarität abgelenkt werden, und – eine Messelektronik vorhanden ist, mit der die Stromverläufe an den Strukturelementen beider Polaritäten jeweils getrennt gemessen werden.
Faraday-Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode ein bipolares Strichgitter ist.
Faraday-Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode eine pixelförmige Struktur oder Parkettierung aufweist.
Faraday-Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode eine Struktur aus konzentrischen Kreisen oder Spiralen oder eine labyrinth-förmige Struktur aufweist.
Faraday-Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode plan ist.
Faraday-Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente auf einem Träger angeordnet sind.
Faraday-Detektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine isolierende oder hochohmige leitend Oberfläche aufweist.
Faraday-Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der Detektionselektrode mechanisch freitragend sind.