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Die Erfindung betrifft ein Schaltelement zur Modulation oder zum Schalten von Ionenströmen in Ionenmobilitätsspektrometern (IMS), wobei insbesondere der Ionenstrom einer Ionenquelle mit einer stetigen Modulierungsfunktion moduliert und das Mobilitätsspektrum aus dem gemessenen Ionenstrom durch eine Korrelationsanalyse mit dem Modulierungsmuster erzeugt werden kann.
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Stand der Technik
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Ionenmobilitätsspektrometer werden in den meisten Fällen mit einer Injektion sehr kurzer Ionenstrompulse betrieben. Ein übliches Ionenmobilitätsspektrometer für die Messung von Schadstoffen, Drogen oder Sprengstoffen in Luft ist in wiedergegeben. Die Ionen werden in einer Ionenquelle (2) kontinuierlich erzeugt und dann von einem Schaltgitter (4) während einer kurzen Zeitspanne in die Driftstrecke des Spektrometers eingelassen. Die Zeitspannen für den Durchlass betragen für gewöhnlich 100 bis 300 Mikrosekunden, die Aufnahme des Spektrums erstreckt sich über etwa 30 Millisekunden. Als Schaltgitter werden häufig bipolare Drahtgitter nach Bradbury-Nielsen verwendet.
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Die durch das Gitter (4) durchgelassenen Ionen werden dann in einer Driftstrecke (8) von einem axial ausgerichteten elektrischen Feld durch ein Stoßgas bis zum Faraday-Detektor (9) gezogen, wobei ihre Geschwindigkeit durch ihre „Mobilität“ bestimmt wird, die wiederum in bekannter Weise von ihrem Stoßquerschnitt, ihrer Masse, ihrer Polarisierbarkeit und ihrer Neigung zur Bildung von Komplex-Ionen mit Molekülen aus dem Stoßgas abhängt. Das Ziehfeld wird durch eine Reihe von Elektroden (7) gebildet, die die Driftstrecke (8) umgeben und an denen je nach Polarität der Ionen linear ansteigende oder abfallende Potentiale anliegen. Aus den Molekülen einer Substanz, die mit Außenluft (1) in die Ionenquelle (2) eintritt, werden in der Ionenquelle (2) beispielsweise durch radioaktive Strahlung aus einem Emitter (3) in der Regel in komplizierten Ionisierungsreihen mehrere Ionensorten wie Monomere, Dimere und Komplexe mit Wasser- und Stoßgasmolekülen gebildet. Jede Ionensorte besitzt eine für sie charakteristische Mobilität. Am Ende der Driftstrecke (8) wird der ankommende Ionenstrom mit einem Ionendetektor (9) gemessen, digitalisiert und in Form einer digitalisierten Messwertreihe als „Mobilitätsspektrum“ gespeichert. Eine Auswertung dieses Mobilitätsspektrums gibt Auskunft über die Mobilitäten der beteiligten Ionen und damit Hinweise auf beteiligte Substanzen. (Es gibt auch Ionenquellen, die ohne Radioaktivität arbeiten).
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Das Verfahren ist für bestimmte Substanzgruppen außerordentlich empfindlich und wird in großem Umfang für die Messungen von Schadstoffen in Luft eingesetzt, beispielsweise für die Überwachung von Chemie-Laboratorien, für die kontinuierliche Überwachung von Filtern, für die Steuerung von Trocknungsprozessen, für Abluftüberwachung, für die Detektion von chemischen Kampfstoffen, Sprengstoffen, Drogen und dergleichen mehr.
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Bei einer üblichen Wiederholrate der Spektrenmessungen von etwa 30 Spektren pro Sekunde, und einer Ionendurchlasszeit von 150 bis 300 Mikrosekunden liegt der Nutzungsgrad der Ionen einer gasförmig zugeführten Substanz nur bei etwa einem halben bis zu einem Prozent. Die restlichen Ionen werden entladen, was vorwiegend im Schaltgitter (4) passiert, und sind für den Messprozess verloren.
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In der Patentschrift
DE 10 2008 015 000 B4 (U. Renner;
GB 2 458 368 B ;
US 8,304,717 B2 ) ist ein Verfahren beschrieben, in dem der Ionenstrom im Ionenmobilitätsspektrometer am Schaltelement (
4) mit einer stetigen Modulierungsfunktion moduliert wird und das Mobilitätsspektrum aus dem gemessenen Ionenstrom durch eine Korrelationsanalyse mit dem Modulierungsmuster erzeugt wird. Für die Modulierung wird bevorzugt ein Schaltelement (
4) verwendet, das eine möglichst lineare Kennlinie bietet, da sonst störende Seitenbänder auftreten, die irrtümlich für reale Signale gehalten werden können. Eine günstige Modulationsfunktion besteht aus einem „Chirp“, also einer Sinus-Funktion, deren Frequenz von einer Untergrenze zu einer Obergrenze stetig durchfahren und im kontinuierlichen Messmodus laufend wiederholt wird.
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In der Patentschrift
DE 10 2009 025 727 B4 (U. Renner;
GB2471745B ;
US 8,198,584 B2 ) ist dargelegt, wie störende Seitenbänder im Mobilitätsspektrum, die durch nichtlineares Verhalten des modulierenden Schaltelements (
4) erzeugt werden, durch eine gezielt vorverzerrte Modulationsfunktion vermindert werden können. Trotzdem ist es günstig, ein Schaltelement (
4) mit möglichst gerader Kennlinie zu verwenden.
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Die üblichen bipolaren, koplanaren Drahtgitter nach Bradbury-Nielsen sind für die analoge Modulation nicht günstig, da sie durch die Querfelder zwischen den Drähten die migrierenden Ionen seitlich ablenken. Besser sind zwei (oder mehr) unipolare Schaltgitter hintereinander, die durch Gegen- oder Ziehspannungen im Wesentlichen axial wirken. Sie sind als „Tyndall-Powellgates“ bekannt.
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In der Offenlegungsschrift
US 2008/0178515 A1 (R. P. Sperline, 2007) sind insbesondere ionensammelnde Schaltverfahren für die Ionen in Ionenmobilitätsspektrometern beschrieben, die auf Tyndall-Powell Schaltelementen mit zwei, drei oder vier frei aufgespannten Gittern bestehen und kurze Pulse von Ionen erzeugen.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 2015/194943 A1 (S. V. Mitko, 2014) sind Schaltgitter („shutter“) nach Tyndall-Powell mit drei oder vier Gittern bekannt, wobei sich zwei Gitter, die auf verschiedene Potentiale gelegt werden können, auf der Vor- und Rückseite einer Elektrodenplatte mit langgestreckten Öffnungen befinden, so dass sich zwei planparallele Strichgitter ergeben. Die äußersten Gitter sind vorhanden, um die Feldgradienten im Spektrometer zu beiden Seiten des Schalelements möglichst wenig zu stören. Der Betrieb besteht aus einem gepulsten Ein- und Abschalten des Ionenstroms, um kurze Ionenstrompulse zu erzeugen.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2015/0108345 A1 (Fujita, 2013) ist ein Schaltelement bekannt, bei dem zwei scheibenförmige Elektroden aus Metall und eine dazwischenliegende Isolationselektrode mittels Schrauben aus einem elektrisch isolierenden Material verbunden sind und alle drei Elektroden zentrale Öffnungen aufweisen. Gitter aus leitfähigen Drähten sind an den zentralen Öffnungen der beiden scheibenförmigen Elektroden aus Metall befestigt, wobei die Schraubeneinführungslöcher der zweiten Metallelektrode fächerförmig sind und Spiel in Drehrichtung haben, so dass die Parallelität der leitfähigen Drähte der beiden Metallelektroden durch eine Feineinstellung der Drehposition beim Anziehen der Schrauben eingestellt werden kann.
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Aus der Patentschrift
EP 1676291 B1 (Schultz et al., 2004) ist eine Elektrodenplatte mit einer Vielzahl von Löchern bekannt, die zwischen einer gasgefüllten Driftstrecke einer Ionenmobilitätszelle und der ersten Pumpstufe eines Massenspektrometers angeordnet ist und eine hohe Ionentransmission aufweist. Die Elektrodenplatte kann aus klebstofffreien Kupfer - Polyimid - Kupfer Schichten bestehen, die mittels Laserbohren oder Stanzen hergestellte Löcher aufweisen.
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Das Patent
US 7,417,222 B 1 (K. B. Pfeifer und S. B. Rhode, 2005) beschreibt ein Korrelations-Ionenmobilitätsspektrometer. Ein Schaltelement moduliert den Ionenstrom und das Mobilitätsspektrum wird durch eine Korrelationsanalyse des Ionenstrommusters mit der Modulationsfunktion gewonnen. Als Schaltelement wird sowohl ein Schaltgitter nach Bradbury-Nielsen wie auch ein Gitterpaar nach Tyndall-Powell vorgeschlagen.
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Wird für ein Mobilitätsspektrometer eine Miniaturisierung angestrebt, so ist die Verwendung von Gittern als Schaltelemente ungünstig. Die notwendigerweise sehr dünnen Drähte neigen zu Schwingungen, die die Schalt- oder Modulationsfunktion beeinträchtigen. Außerdem ist es schwierig, die Gitter so zu formen und anzuordnen, dass eine möglichst lineare Modulationskurve entsteht.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist ein Schaltelement zu finden, mit dem der Ionenstrom aus einer kontinuierlich arbeitenden Ionenquelle eines Ionenmobilitätsspektrometer geschaltet oder moduliert werden kann, das mechanisch stabil ist, und dessen Herstellung und Handhabung einfach und kostengünstig ist. Das Schaltelement sollte insbesondere bei einer stetigen Modulation des Ionenstroms und anschließender Korrelationsanalyse des gemessenen Ionenstroms eine möglichst lineare Kennlinie aufweisen, um störende Seitenbänder im Mobilitätsspektrum zu unterdrücken.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine geschichtete Lochplatte als Schaltelement für das Schalten oder Modulieren des Ionenstroms in einem Ionenmobilitätsspektrometer bereit. Die Lochplatte besteht aus mindestens drei leitenden und zwei isolierenden (oder nur schwach leitenden) Schichten, die bevorzugt abwechselnd angeordnet sind, z.B. leitend, isolierend, leitend, isolierend, leitend. Die Schichten bestehen aus festen Materialien, sind fest miteinander verbunden und weisen eine Vielzahl von Löchern auf, die mehrheitlich so angeordnet sind, dass eine Vielzahl von durchgängigen umwandeten Kanälen zwischen den beiden Seiten der Lochplatte ausgebildet wird. Die geschichtete Lochplatte weist somit eine Vielzahl von Löchern für den Durchtritt der Ionen auf.
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Die leitenden Schichten (Elektrodenschichten) können aus Kupfer, Silber, oder anderen gut leitenden Metallen bestehen, bevorzugt mit einer Leitfähigkeit von mehr als 106 S/m. Die nicht oder schwach leitenden Schichten (Isolationsschichten) können aus Polyimid (Kapton™), Keramik, Glas, anderen Nichtleitern oder auch Halbleitern oder schwach leitfähigen Polymeren bestehen, bevorzugt mit einer Leitfähigkeit von weniger als 105 S/m und insbesondere von weniger als 103 S/m. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße Lochplatte aus den Schichten Kupfer-Kapton-Kupfer-Kapton-Kupfer bestehen. Verbindungstechniken für Schichten aus Kupfer und Kapton sind aus der Herstellung von Leiterplatten bekannt. Die geschichtete Lochplatte kann z.B. herstellungsbedingt auch zwei oder mehr leitende Schichten aufweisen, die miteinander verbunden sind, aber von isolierenden Schichten umgeben sind, oder zwei oder mehr isolierende Schichten aufweisen, die miteinander verbunden sind, aber von leitenden Schichten umgeben sind. Bevorzugt befindet sich eine leitende Schicht im Inneren der Lochplatte und leitenden Schichten jeweils auf den Außenseiten der Lochplatte, wobei die leitenden Schichten von isolierenden Schichten getrennt sind. Die Lochplatte (Platte) kann eine beliebige Form haben, beispielsweise rund sein, mit Durchmessern von vier bis 15 Millimetern. Die Platte ist vorzugsweise zwischen 50 und 500 Mikrometer dick.
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Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltelemente kann darin bestehen, dass die Platte durch Zusammenwalzen oder Kleben von leitenden und nicht oder schwach leitenden Folien erzeugt wird. Die Löcher können nach dem Zusammenfügen der Schichten durch chemisches Ätzen, durch Ionenätzen, oder insbesondere durch Laserbohren oder -ätzen vorzugsweise mit Ultrakurzpulslasern (z.B. Pikosekunden-Lasern oder Femtosekunden-Lasern) erzeugt werden. Das Laserbohren mit Ultrakurzpulslasern ermöglicht durch den direkten Phasenübergang ins Gasförmige ohne Aufschmelzartefakte eine präzise Bearbeitung. Die Löcher können rund, quadratisch oder sechseckig sein und einen Durchmesser zwischen 50 und 500 Mikrometer haben. Der Durchmesser eines Lochs entspricht bevorzugt etwa der Tiefe des Lochs durch die Platte. Die optische Transparenz der Platte kann zwischen 10% und 90%, bevorzugt zwischen 30% und 70%, insbesondere bei etwa 50 % liegen, wobei die Fläche der Löcher dann der Hälfte der Plattenfläche entspricht.
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Der Durchtritt von Ionen durch eine geschichtete Lochplatte wird durch eine Variation einer Steuerspannung gesteuert, die bevorzugt an einer innerhalb der geschichteten Lochplatte gelegenen Leiterschicht angelegt wird. Durch eine Potentialdifferenz zwischen äußeren leitenden Schichten, insbesondere zwischen Leiterschichten auf den beiden Oberflächen der Lochplatte, kann der Durchtritt der Ionen, der auf ihrer Mobilität beruht, erreicht werden. Der Transmissionsstrom als Funktion der Steuerspannung wird als „Kennlinie“ (oder auch „Durchlasskurve“) bezeichnet. Durch die Wahl der einzelnen Schichtdicken, die sehr verschieden voneinander sein können, und der Lochprofile können die Kennlinien für die Transmission beeinflusst werden, und zwar insbesondere so, dass die Kennlinie auf einer ihrer Flanken eine weitgehend lineare Strecke enthält.
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Die erfindungsgemäße Lochplatte ist gegenüber Gittern mit zahlreichen dünnen Einzelstegen sehr stabil und neigt viel weniger zu Schwingungen. Sie ist mit weitgehend aus der Leiterplattenfertigung bekannten Techniken leicht miniaturisiert und präzise herzustellen. Auch wenn die maximale Transmission nur etwa der Hälfte der Transmission eines Gitters entspricht, hat die Lochplatte insbesondere für die Aufnahme von Mobilitätsspektren auf der Basis von Modulationsverfahren unschlagbare Vorteile.
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Die Erfindung stellt des Weiteren ein Ionenmobilitätspektrometer bereit, das aus einer Ionenquelle, einer Driftstrecke und einem Ionendetektor besteht, sowie Verfahren zu dessen Betrieb bereit, wobei sich zwischen der Ionenquelle und der Driftstrecke ein erfindungsgemäßes Schaltelement aus einer geschichteten Lochplatte befindet.
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Das Schaltelement weist einen Potentialgeber auf, der ein variables Steuerpotential erzeugt, das bevorzugt an einer innenliegenden Elektrodenschicht der Lochplatte angelegt ist, um den Durchtritt der Ionen von der Ionenquelle in die Driftstrecke zu steuern. Der Potentialgeber kann dabei ein stetig moduliertes oder gepulstes Steuerpotential erzeugen, um einen stetig (analog) modulierten Ionenstrom bzw. einen Ionenpuls in die Driftstrecke hinein zu erzeugen. Weitere Potentialgeber können zusätzlich feste Potentiale erzeugen, die an außenliegenden leitenden Elektrodenschichten der Lochplatte angelegt werden.
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Das erfindungsgemäße Ionenmobilitätsspektrometer kann bei Atmosphärendruck arbeiten und ist zudem leicht miniaturisierbar, d.h., es kann ein Volumen von weniger als 500 cm3 und insbesondere von etwa 100 cm3 oder sogar weniger aufweisen.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren besteht darin, dass die Kennlinie eines erfindungsgemäßen Schaltelementes durch Simulationsverfahren oder experimentell ermittelt und über eine Variation der Parameter der geschichteten Lochplatte, insbesondere die Anzahl der Schichten, die Materialien der Schichten, die Dicke der Schichten und die Lochformen, dahingehend optimiert wird, dass sie in einem möglichst weiten Bereich einer Steuerspannung einen linearen Verlauf aufweist.
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Beschreibung der Abbildungen
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Die zeigt ein Schema eines an Atmosphärendruck betriebenen Ionenmobilitätsspektrometers für die Detektion von Schadstoffen, Drogen oder Sprengstoffen, wie es kommerziell erhältlich ist. Das Schema zeigt nicht den schwachen inneren Strom des Stoßgases, der gegen die Driftrichtung gerichtet ist. Außenluft mit üblichem Wassersdampf und den Untersuchungssubstanzen (beispielsweise Schadstoffe in der Luft) treten mit dem Luftstrom (1) in das Ionenquellengehäuse (2) ein. Einige Luftmoleküle werden durch die Elektronen des Betastrahlers (3), der beispielsweise aus 63Ni besteht, ionisiert und reagieren sofort in komplexer Weise mit Luft- und Wassermolekülen unter Bildung von Komplex-Ionen, die zumeist eine der Formen (H2O)n . OH3+ oder (H2O)n . OH - haben. Diese dienen als Reaktant-Ionen für die Ionisierung der zu untersuchenden Substanzen. Die Ionen der zu untersuchenden Substanzen in der Ionenquelle (2) driften auf das Schaltgitter (4) zu; der Ionenstrom kann hier pulsförmig geschaltet oder mit einer Modulierungsfunktion moduliert werden. Die Driftstrecke (8) ist mit Elektroden (7) umgeben, die durch Isolatoren (5) voneinander getrennt sind. Sie werden über einen Spannungsteiler, der aus einzelnen Widerständen (6) besteht, mit Potentialen versorgt, die in der Driftstecke (8) ein gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugen. Die Ionen driften, gezogen von diesem Feld, durch die Driftstrecke (8) zum Faraday-Auffänger (9), wo der Zeitverlauf des Ionenstroms gemessen wird.
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Die zeigt eine Ausführungsform einer geschichteten Lochplatte, wie sie dieser Erfindung zugrunde liegt und anstelle des Schaltgitters (4) als Schaltelement zum Schalten oder Modulieren des Ionenstroms dient. Die Lochplatte hat fünf fest verbundene Schichten, abwechselnd aus leitendem und nicht (oder nur schwach) leitendem Material. Die Löcher werden vorzugsweise mit Ultrakurzpulslasern gebohrt, wobei das Bohren aller Löcher einer Lochplatte nur wenige Sekunden dauert. Mehrere solcher Schaltelemente können in einem Durchgang hergestellt werden. Durch die Wahl der Schichtdicken und der Lochprofile (Lochformen) kann eine günstige Kennlinie für eine analoge Modulation des Ionenstromes erzeugt werden. Werden optimal ausgesuchte Materialien verwendet, so ist die Platte mechanisch stabil und leicht zu handhaben. Eine geschichtete Lochlatte neigt weniger zu Schwingungen als freistehende Gitter aus Drähten oder freistehende Schichten. Die metallischen Schichten weisen Laschen für die Kontaktierung besitzen. Potentialgeber (40) und (42) liefern feste Spannungen für die äußeren Elektrodenschichten, Potentialgeber (41) liefert eine variable Spannung für eine mittlere Elektrodenschicht, die als Steuerelektrode dient.
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Die zeigt ein einzelnes zylindrisches Loch (10) einer geschichteten Lochlatte, die aus den leitenden Schichten (11), (13), (15) und den nicht leitenden Schichten (12) und (14) besteht. Die Schichtdicken (von oben nach unten) betragen 25, 50, 50, 50 und 25 Mikrometer; das Loch hat einen Durchmesser von 200 Mikrometern.
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Die gibt die durch Simulation gewonnene Durchlasskurve des einzelnen Lochs (10) aus für den Ionenstrom in Femtoampere (Ordinate) in Abhängigkeit von der Steuerspannung in Volt (Abszisse) an der Elektrode (13) wieder. Die Durchlasskurve (Kennlinie) hat in etwa die Form einer Gauß-Kurve ohne gerade Strecken auf den Flanken.
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Die stellt ein einzelnes Loch (10) einer geschichteten Lochplatte dar, dessen leitende Schicht am Ausgang der Ionen einen größeren Durchmesser hat und sozusagen ein „Auge“ bildet.
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Die zeigt wiederum die durch Simulation gewonnene Durchlasskurve des einzelnen Lochs (10) aus . Die Durchlasskurve ist jetzt leicht unsymmetrisch verzerrt. Der Maximalstrom ist um etwa 10% größer als in .
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Die zeigt ein einzelnes Lochprofil einer geschichteten Lochplatte, die am Ioneneingang ein Auge besitzt; außerdem sind die Schichtdicken geändert: 25, 115, 10, 25 und 25 Mikrometer. Die simulierte Durchgangskurve in weist jetzt eine lange gerade Flanke auf, die sich hervorragend für eine stetige Modulation des Ionenstroms eignet, ohne dass sich schädliche Seitenbänder ergeben. Außerdem ist der maximale Durchlassstrom um etwa 30% größer als in ; er beträgt in der Simulation 134 Femtoampere.
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Die zeigt ein einzelnes Lochprofil einer im Vergleich zu etwa doppelt so dicken Lochplatte, in der sich entsprechend etwa doppelt so große Löcher mit einem konischen Profil befinden, wie es sich leicht mit einem Ultrakurzpulslaser bohren lässt. Die Dicken der Schichten vom oberen Einlass zum unteren Auslass betragen 35, 250, 17, 50 und 35 Mikrometer; die Gesamtdicke beträgt also 387 Mikrometer. Für diese Dicken gibt es Kupfer- und Kaptonfolien, die in üblicher Weise zusammengewalzt werden können. Das einzelne Loch hat am Ausgang einen Durchmesser von 400 Mikrometern, am Eingang einen Durchmesser von 470 Mikrometern. Die durchgezogene Durchlasskurve in zeigt jetzt einen wesentlich größeren Ionenstrom von etwa 500 Femtoampere; die gestrichelte Durchlasskurve ergibt sich für ein rein zylindrisches Loch. Die Flanke ist jetzt nicht mehr so linear wie die in , eignet sich zwischen 0 und 10 Volt Steuerspannung aber noch für eine Modulation.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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In der Erfindung wird vorgeschlagen, statt eines Gitters mit zahlreichen dünnen Einzelstegen (oder einer Serie derartiger Gittern) eine geschichtete Lochplatte zu verwenden, wie sie in schematisch wiedergegeben wird. Diese Lochplatte besteht aus drei leitenden und zwei isolierenden (oder nur schwach leitenden) Schichten, die sich jeweils abwechseln. Die leitenden Schichten („Elektrodenschichten“) weisen Laschen für die Kontaktierung auf. Eine solche Lochplatte kann zum Beispiel aus den Schichten Kupfer-Kapton-Kupfer-Kapton-Kupfer bestehen, oder auch den Schichten Silber-Keramik-Silber-Keramik-Silber. Bei Verwendung von Kupfer ist es günstig, die mit dem Gas in Kontakt befindlichen Oberflächen mit einem edleren Metall wie beispielsweise Gold oder Chrom zu veredeln. Die Schichten sind fest miteinander verbunden, Verbindungstechniken wie Walzen oder Kleben sind aus der Herstellung von Leiterplatten bekannt. Die Keramikschichten können zuvor oberflächlich metallisiert werden.
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Eine erfindungsgemäße Lochplatte kann eine beliebige Form haben, beispielsweise rund, quadratisch oder sechseckig sein, mit Durchmessern von vier bis 15 Millimetern. Die Platte ist vorzugsweise zwischen 50 und 500 Mikrometer dick. Die Löcher können durch chemisches Ätzen, durch Ionenätzen, insbesondere aber durch Laserbohren vorzugsweise mit Ultrakurzpulslasern hergestellt werden. Mit einem Femtosekunden-Laser lassen sich beispielsweise leicht mehrere Hundert Löcher pro Sekunde bohren, praktisch ohne Wärmeeintrag, der die Platte durch thermische Überlastung verformen würde. Die Löcher sind praktisch ohne Grat und können mit verschiedenen Lochprofilen hergestellt werden. Die Löcher einer erfindungsgemäßen Lochplatte können einen Durchmesser zwischen 50 und 500 Mikrometer haben; sie können rund sein oder aber auch quadratisch oder sechseckig, mit oder ohne gerundeten Ecken. Es scheint günstig zu sein, wenn der Lochdurchmesser etwa der Tiefe des Lochs durch die Platte entspricht, jedoch sind andere Verhältnisse von Durchmesser und Tiefe nicht ausgeschlossen. Die optische Transparenz der Platte ist wählbar; sie kann beispielsweise bei etwa 50 % liegen, die Fläche der Löcher entspricht dann der Hälfte der Plattenfläche. Es lassen sich auch Platten höherer Transparenz beispielsweise mit einer honigwabenähnlichen Anordnung der Löcher erzeugen. Insgesamt ist ein günstiger Kompromiss aus Ionentransparenz und Stabilität der Platte zu wählen.
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Durch eine Potentialdifferenz, die in durch die Potentialgeber (40) und (42) zwischen den äußeren Elektrodenschichten der dort abgebildeten Lochplatte erzeugt wird, kann der Durchtritt der Ionen, der auf ihrer Mobilität beruht, unterstützt werden. Durch variierende Steuerspannungen des Potentialgebers (41) an einer der inneren Elektrodenschicht kann die Transmission des Ionenstroms durch die Lochplatte in gesteuert werden. In den folgenden Untersuchungen wurden an den äußeren Elektrodenschichten feste, antisymmetrische Potentiale angelegt, außerdem herrschten im Außenraum schwache elektrische Felder für die Zuführung und Abführung von Ionen. In den Simulationen wurde außerhalb wie auch innerhalb der Platte eine Feldstärke von 300 Volt pro Zentimeter eingestellt. Die Potentialdifferenz wurde also so gewählt, dass zwischen den äußeren Elektrodenschichten die erzeugte Feldstärke der Feldstärke im Außenraum entspricht und sich damit ein stetiger Übergang zwischen den Räumen ergibt. Die Transmission des Ionenstroms als Funktion der Steuerspannung wird als „Kennlinie“ oder „Durchlasskurve“ bezeichnet. Im Folgenden wird gezeigt, dass durch die Wahl der Schichtdicken, die sehr verschieden voneinander sein können, und der Lochprofile die Form der Kennlinien für die Transmission beeinflusst werden kann. Insbesondere kann man Kennlinien mit weitgehend geraden Flanken erzeugen.
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Es können insbesondere auch mehr als nur fünf Schichten für die Platte gewählt werden, beispielsweise, um noch gradlinigere Kennlinien für die Modulation der Ionenströme zu erzeugen. Mit weiteren Schalt- bzw. Modulationsebenen kann der zeitliche Verlauf des Ionenprofils beeinflusst werden, um z. B. nacheilende Ionen beim langsamen Schließen bei einer analogen Modulation abzuschneiden. Es werden im Folgenden allerdings nur Ergebnisse von Simulationen mit fünf Schichten wiedergegeben.
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Die Lochplatte ist gegenüber Gittern mit vielen oft dünnen, unabhängig verformbaren Einzelstegen sehr stabil und neigt als kompakte Einheit weniger zu Schwingungen. Sie ist mit weitgehend aus der Leiterplattenfertigung bekannten Techniken leicht miniaturisiert und präzise sowie kostengünstig und in hohen Stückzahlen herstellbar. Auch wenn die maximale Transmission nur etwa der Hälfte der Transmission eines Gitters entspricht, hat die Lochplatte insbesondere für die Aufnahme von Mobilitätsspektren auf der Basis von Modulationsverfahren unschlagbare Vorteile.
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Der Durchtritt der Ionen durch jeweils ein einzelnes Loch als Funktion der Steuerspannung an einer inneren Elektrodenschicht kann mit geeigneten Programmen simuliert oder experimentell gemessen werden. Als Ergebnis wird die Kennlinie (Durchlasskurve) als Funktion der Steuerspannung erhalten. Als Ausgangspunkt für verschiedene Ausführungsformen zeigt die ein einzelnes zylindrisches Loch (10) einer Lochplatte, die aus den drei leitenden Schichten (11), (13), (15) und den zwei nicht leitenden Schichten (12) und (14) besteht. Die Schichtdicken sind symmetrisch gewählt und betragen 25, 50, 50, 50 und 25 Mikrometer; das Loch hat einen Durchmesser von 200 Mikrometern. Die gibt die durch Simulation gewonnene Durchlasskurve des Lochs (10) aus für den Ionenstrom in Femtoampere (Ordinate) in Abhängigkeit von der Steuerspannung in Volt (Abszisse) an der Elektrode (13) wieder. Die Durchlasskurve (Kennlinie) ist erwartungsgemäß symmetrisch und hat in etwa die Form einer Gauß-Kurve ohne gerade Strecken auf den Flanken.
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Es gehört zu den grundlegenden Erkenntnissen im Rahmen der Erfindung, dass die Durchlasskurve durch unsymmetrische Anordnung der Schichtdicken und der Lochprofile in vielfältiger Weise verändert werden kann. So ist in ein einzelnes Loch (10) dargestellt, dessen leitende Schicht am Ausgang der Ionen einen größeren Durchmesser hat und sozusagen ein „Auge“ bildet. Die zeigt, dass die durch Simulation gewonnene Durchlasskurve des Lochs (10) aus jetzt leicht unsymmetrisch verzerrt und der Maximalstrom um etwa 10% gegenüber der Durchlasskurve in vergrößert ist.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform im Hinblick auf eine gerade Kennlinie ist in den und dargestellt. Die zeigt ein einzelnes Loch (10) einer Lochplatte, das am Ioneneingang ein Auge besitzt; außerdem sind die Schichtdicken in unsymmetrischer Weise geändert: 25, 115, 10, 25 und 25 Mikrometer. Die simulierte Durchgangskurve weist jetzt zwischen 1,5 und 7,5 Volt Steuerspannung eine lange gerade Flanke auf, die sich hervorragend für die Modulation des Ionenstroms eignet, ohne dass sich schädliche Seitenbänder ergeben. Außerdem ist der maximale Durchlassstrom um etwa 30 % größer als der in ; er beträgt in der Simulation 134 Femtoampere.
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Der freiliegende Isolator im Auge der Elektrodenschicht (21) in ist allerdings ungünstig, da er sich durch Aufprall von Ionen aufladen kann und daher den Ionendurchtritt stört. Es ist daher vorteilhaft, nicht einen Isolator, sondern ein schwach leitfähiges Material für die Zwischenschichten zwischen den leitenden Elektrodenschichten zu verwenden. Es können damit Aufladungen vermieden werden, da die sich auf der Oberfläche anhäufenden Ladungen abfließen können. Es können auch Isolatoren mit schwach leitfähigen Schichten bedampft werden. Es ist auch bekannt, dass Kapton durch intensive Bestrahlung mit UV-Licht oder durch eine zusätzliche Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche schwach leitfähig gemacht werden kann; dieser Effekt kann hier genutzt werden.
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In den vorausgehenden Untersuchungen waren die Platten jeweils sehr dünn. Es sind zwar Kupfer- und Kapton-Folien der entsprechenden Dicken kommerziell erhältlich, jedoch ist die Handhabung ohne entsprechenden technologischen Aufwand beim schichtweisen Verbinden nicht ganz einfach. Es soll daher auch gezeigt werden, dass mit dickeren Platten und entsprechend größeren Löchern ähnliche Ergebnisse erzielt werden können.
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Die gibt eine gegenüber den bisherigen Ausführungsformen etwa doppelt so dicke Lochplatte wieder, in der sich doppelt so große Löcher mit einem konischen Profil befindet, wie es sich leicht mit einem Femtosekunden-Laser bohren lässt. Die Dicken der Schichten betragen 35, 250, 17, 50 und 35 Mikrometer; die Gesamtdicke beträgt also 387 Mikrometer. Für diese Dicken gibt es kommerziell erhältliche Kupfer- und Kapton-Folien, die in üblicher Weise zusammengewalzt werden können. Die Kapton-Oberfläche in den Löchern ist schwach leitend. Das Loch hat am Ausgang einen Durchmesser von 400 Mikrometern, am Eingang einen Durchmesser von 470 Mikrometern. Die zugehörige Durchlasskurve in (durchgezogene Linie) zeigt jetzt einen wesentlich größeren Ionenstrom von etwa 500 Femtoampere. Im Vergleich dazu ist als gestrichelte Linie die Durchlasskurve für ein rein zylindrisches Loch von 400 Mikrometer Durchmesser gezeigt. Die Flanke der durchgezogenen Durchlasskurve ist jetzt nicht mehr so ideal linear wie die in , eignet sich zwischen 0 und 10 Volt Steuerspannung aber noch relativ gut für eine Modulation, auf jeden Fall weit besser als die Durchlasskurve des voll symmetrischen Lochs in .
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Die Lochplatte der lässt sich aufgrund der größeren Plattendicke einfacher herstellen als die Lochplatten in den vorherigen Ausführungsformen. Die in dargestellte Durchlasskurve ist daher ein praktischer Kompromiss. Die Geradlinigkeit der Durchlasskurve lässt sich noch weiter verbessern, indem Lochplatten mit sieben Schichten oder mehr verwendet werden.
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Die Erfindung stellt ein Schaltelement zur Verfügung, mit dem bevorzugt der Ionenstrom aus einer kontinuierlich arbeitenden Ionenquelle in einem miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometer sauber und ohne störende Seitenbänder analog moduliert werden kann, das mechanisch stabil ist, und dessen Herstellung und Handhabung einfach und kostengünstig ist. Insbesondere lässt sich durch verschiedene Ausführungsformen der geschichteten Lochplatte eine günstige Kennlinie für die Modulation des Ionenstroms erreichen. Die vorteilhafte Gewinnung von Mobilitätsspektren durch eine Modulation des Ionenstroms ist in der bereits oben zitierten Patentschrift
DE 10 2008 015 000 B4 (U. Renner;
GB 2 458 368 B ;
US 8,304,717 B2 ) beschrieben.
