DE102020124271B3

DE102020124271B3 - Ionenanalyseeinrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Gitterelektrode

Info

Publication number: DE102020124271B3
Application number: DE102020124271.9A
Authority: DE
Inventors: Ansgar Kirk; Stefan Zimmermann
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2040-09-18

Abstract

Der Erfindung liegt eine Gitterelektrode (60) zur Beeinflussung des elektrischen Felds (20) in einer Ionenanalyseeinrichtung (1) zugrunde, wobei die Gitterelektrode (60) einen Außenumfang (50) und mehrere im vom Außenumfang (50) umgebenen Bereich angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente (61, 62, 63) hat, die eine gitterartige Struktur bilden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gitterelektrode (60) und eine Ionenanalyseeinrichtung (1) mit wenigstens einer solchen Gitterelektrode (60).

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenanalyseeinrichtung mit wenigstens einer Gitterelektrode zur Beeinflussung des elektrischen Felds in der Ionenanalyseeinrichtung, wobei die Gitterelektrode einen Außenumfang und mehrere im vom Außenumfang umgebenen Bereich angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente hat, die eine gitterartige Struktur bilden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gitterelektrode.
Ionenanalyseeinrichtungen sind in verschiedenen Varianten bekannt, z.B. als Ionenmobilitätsspektrometer, Massenspektrometer oder sonstige Ionenanalyseeinrichtungen, die z.B. eine Driftröhre oder einen Ionentrichter haben. Die Einsatzmöglichkeiten solcher Gitterelektroden werden nachfolgend hauptsächlich am Beispiel eines lonenmobilitätsspektrometers erläutert, der Einsatz der Gitterelektrode in anderen lonenanalyseeinrichtungen ist auch vorteilhaft möglich.
lonenmobilitätsspektrometer sind weit verbreitete Systeme zum schnellen und sensitiven Nachweis verschiedenster Substanzen, häufig mit sicherheitstechnischem Hintergrund wie beispielsweise Sprengstoffe, chemische Kampfstoffe oder toxische Industriechemikalien. Driftzeit-Ionenmobilitätsspektrometer messen dabei die Zeit, die die Ionen benötigen, um eine bestimmte Strecke in einem elektrischen Feld zurückzulegen. Um ein definiertes elektrisches Feld zu erzeugen, ist der Driftbereich von einer Vielzahl von Ringelektroden umgeben, die auf das jeweils ihrer Position entsprechende elektrische Potential eingestellt sind.
Um einzelne Bereiche innerhalb der Driftröhre in Driftrichtung zu unterteilen, beispielsweise vor dem Detektor oder im Ionentor, werden üblicherweise Gitter eingesetzt, die über den Querschnitt der Driftröhre ein einheitliches Potential sicherstellen sollen. Übliche Formen sind beispielsweise aus DE 10 2013 114 421 B4 und DE 10 2015 112 869 B4 bekannt und lassen sich grob in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen Gitter, die eine Streifenstruktur bzw. Drahtstruktur aufweisen. Diese gehen auf das Bradbury-Nielsen-Ionentor zurück, bei dem zwischen jeweils zweien dieser Drähte ein zur Driftrichtung orthogonales elektrisches Feld zum Blockieren der Ionen erzeugt wird. Zum anderen Gitter, die eine Art Wabenstruktur mit beispielsweise viereckigen oder hexagonalen Öffnungen aufweisen. Diese erzeugen ein homogeneres Feld und sind mechanisch stabiler und kommen daher bei modernen Ionentoren wie dem Field-Switching-Shutter häufiger zum Einsatz.
Insbesondere sensitiv sind Systeme mit Field-Switching-Shutter. Bei diesen ist der Bereich, in dem die Ionisation der Analyt-Moleküle stattfindet, die sogenannte Ionisationskammer, während der Ionisation im Wesentlichen feldfrei. Diese Ionisationskammer wird üblicherweise durch zwei im Wesentlichen parallele Elektroden begrenzt, wobei mindestens eine der Elektroden als Gitterelektrode ausgebildet ist. Je geringer das durch Durchgriff durch die Gitterelektrode entstehende elektrische Feld ist, je besser also die geforderte Feldfreiheit angenähert wird, desto höher ist die Sensitivität eines Systems mit Field-Switching-Shutter. Häufig wird daher eine kleine der Driftrichtung entgegengesetzte Spannung zwischen den Elektroden angelegt, die sogenannte Blockspannung. Diese soll kein elektrisches Feld erzeugen, sondern im Gegenteil das durch den Durchgriff durch die Gitterelektrode entstehende elektrische Feld kompensieren. Durch das namensgebende schnelle Einschalten des elektrischen Feldes werden die Ionen dann als ein komprimiertes Paket in den Driftbereich des IMS abgegeben. Alternativ kann das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden permanent vorhanden sein und stattdessen die Ionisationsquelle gepulst werden.
Aus der EP 1 229 995 B1 ist ein selektives Photoionisations-Ionenmobilitätsspektrometer und eine Methode zu dessen Steuerung bekannt. Aus der DE 25 35 724 A1 ist eine Elektronenstrahlröhre bekannt. Aus der DE 25 32 038 A1 ist eine Elektronenröhre bekannt. Aus der WO 2019/193047 A1 ist ein lonenmobilitätsspektrometer und ein Verfahren zur Analyse von Proben durch lonenmobilitätsspektrometrie bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Gitterelektrode mit geringem Aufwand noch effizienter zu gestalten. Es soll ein entsprechendes Herstellverfahren und eine Ionenanalyseeinrichtung mit einer solchen Gitterelektrode angegeben werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Ionenanalyseeinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dies beinhaltet, dass die Gitterelektrode wenigstens in einem mittleren Bereich innerhalb des Außenumfangs mehrere ringförmige, konzentrisch zueinander angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente (nachfolgend auch kurz „konzentrische Gitterelemente“ genannt) aufweist. Die meisten Ionenanalyseeinrichtungen bzw. deren Driftröhren weisen Querschnittsformen auf, bei der sich die beiden Seitenlängen (Höhe, Breite) nicht oder zumindest nicht wesentlich voneinander unterscheiden, d.h. sie sind z.B. kreisförmig, quadratisch oder mehreckig. Durch umfangreiche Untersuchungen wurde herausgefunden, dass sich im Driftbereich einer derartigen Ionenanalyseeinrichtung, unabhängig von der äußeren geometrischen Gestaltung, mit hinreichendem Abstand zu den Wänden immer ein um die Achse in Driftrichtung rotationssymmetrisches elektrisches Feld einstellt. Jeder Kreis um die Mittelachse der Driftröhre ist somit immer eine Äquipotentiallinie bei hinreichendem Abstand zu den Wänden. Die erfindungsgemäße Gitterelektrode orientiert sich an dieser Feldgeometrie und bildet diese anhand der mehreren ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente nach. Die Gitterelektrode kann somit im rotationssymmetrischen Teil des elektrischen Feldes ebenfalls eine hauptsächlich rotationssymmetrische Struktur aufweisen. Bei einer solchen Struktur folgen die Gitterelemente zumindest näherungsweise dem Verlauf der zu erwartenden Äquipotentiallinien im Driftbereich und können so Feldverzerrungen deutlich besser ausgleichen bzw. sie rufen selbst im Wesentlichen keine Feldverzerrungen hervor.
Dementsprechend kann bei einer solchen Gestaltung der Driftröhre mit im Wesentlichen gleichen Seitenlängen die Gitterelektrode mehrere rotationssymmetrische Gitterelemente aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Bei einer rechteckigen, elliptischen oder ähnlich gearteten Querschnittsform der Driftröhre, bei der sich die beiden Seitenlängen (Höhe, Breite) der Driftröhre signifikant voneinander unterscheiden, ergeben sich keine rotationssymmetrischen Äquipotentiallinien mehr, da nun derselbe Radius von der Achse in Driftrichtung unterschiedlichen Abständen vom Außenumfang entspricht. In diesem Fall nähern sich die Äquipotentiallinien der Form einer Ellipse an. Dementsprechend kann bei einer solchen Gestaltung der Driftröhre die Gitterelektrode mehrere näherungsweise elliptische Gitterelemente aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Durch die erfindungsgemäße Gitterelektrode kann eine erheblich verbesserte Abschirmwirkung des elektrischen Feldes gegenüber dem Driftbereich erzielt werden, z.B. wenn die Gitterelektrode als Teil eines Ionentors eingesetzt wird. Der unerwünschte Felddurchgriff des elektrischen Feldes vom Driftbereich in die Ionisationskammer kann durch die Gitterelektrode weitestgehend abgeschirmt werden.
Wie erwähnt, hat die Gitterelektrode im vom Außenumfang umgebenen Bereich eine gitterartige Struktur. Der vom Außenumfang umgebene Bereich ist somit zumindest zum Teil durch das Material der Gitterelemente ausgefüllt. Selbstverständlich dürfen die Gitterelemente nur einen flächenmäßig geringen Anteil dieses Bereiches ausfüllen, damit sie selbst kein zu großes Hindernis für die Bewegung der Ionen durch die Gitterelektrode bilden. Die einzelnen Gitterelemente sind in einer praktischen Realisierung der Gitterelektrode beispielsweise relativ schmal zu gestalten, beispielsweise mit einer Breite von weniger als 200 µm oder einer Breite von weniger als 100 µm. Fertigungstechnisch ist es mit derzeitigen Mitteln beispielsweise möglich, die Gitterelemente mit einer Breite im Bereich von 50 µm bis 80 µm herzustellen. Der Abstand zwischen den Gitterelementen liegt dann im Bereich mehrerer 100 µm.Beispielsweise kann der Abstand zwischen benachbarten, konzentrisch angeordneten rotationssymmetrischen Gitterelementen kleiner als 2 mm sein, oder kleiner als 1,5 mm oder kleiner als 1 mm. Weiterhin ist es vorteilhaft, in einer praktischen Realisierung der Gitterelektrode die Dicke bzw. Tiefe in Driftrichtung der Gitterelemente ebenfalls gering zu halten, beispielsweise mit einer Dicke der Gitterelemente von weniger als 200 µm oder einer Dicke von weniger als 100 µm.
Die konzentrischen Gitterelemente können grundsätzlich aus jedem elektrisch leitfähigen Material gefertigt werden. Vorteilhaft sind allgemein Metalle, z.B. Stahl, Kupfer, Messing oder Bronze. Besonders vorteilhaft ist Edelstahl, weil damit eine mechanisch besonders stabile Gitterelektrode mit langer Haltbarkeit und geringer Korrosionsanfälligkeit bereitgestellt werden kann.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abstände der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente in radialer Richtung unterschiedlich sind. Dementsprechend variiert in radialer Richtung die Distanz eines konzentrischen Gitterelementes zu dem jeweils benachbarten konzentrischen Gitterelement.
Es wurde ferner herausgefunden, dass die Feldverteilung des elektrischen Feldes in radialer Richtung nicht vollständig homogen ist. Insbesondere zum Rand hin, d.h. zu den Wänden der Driftröhre hin, kommt es zu deutlichen Feldinhomogenitäten. Auch in der Mitte der Driftröhre können leichte Inhomogenitäten auftreten. Die ohnehin schon deutlich verbesserte Abschirmwirkung der erfindungsgemäßen Gitterelektrode kann durch die zuvor erwähnte Variation der Abstände der Gitterelemente in radialer Richtung noch weiter verbessert werden. Dabei sind die einzelnen Gitterelemente derart angeordnet, dass sie dem Verlauf der Abstände der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes beziehungsweise der Dichte der elektrischen Feldlinien in radialer Richtung folgen und diesen Verlauf somit widerspiegeln. In der Praxis entspricht dies einem geringeren Abstand in Bereichen hoher elektrischer Feldstärke und damit hoher Dichte elektrischer Feldlinien und einem größeren Abstand in Bereichen geringer elektrischer Feldstärke und damit geringer Dichte elektrischer Feldlinien. Wie nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch gezeigt wird, kann durch eine solche Optimierung der Gitterelektrode eine Verbesserung der Abschirmwirkung, d.h. eine Verringerung des Felddurchgriffs des elektrischen Feldes aus dem Driftbereich in die Ionisationskammer, um zwei Größenordnungen erreicht werden.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, die Gitterelektrode so zu gestalten, dass sich der verbleibende Felddurchgriff des elektrischen Feldes aus dem Driftbereich in die Ionisationskammer über den Radius homogen gestaltet und sich so besser durch die Blockspannung kompensieren lässt. Selbst eine zunächst geringere Schirmwirkung der Gitterelektrode alleine in manchen Bereichen kann dann vorteilhaft sein, wenn sie zu einem homogeneren Felddurchgriff und damit einer besseren Kompensierbarkeit führt.
Alternativ oder zusätzlich zu der zuvor erläuterten Ausgestaltung der Erfindung mit den unterschiedlich voneinander beabstandeten ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelementen kann die Gitterelektrode in der Ionenanalyseeinrichtung auch derart betrieben werden, dass die einzelnen ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden. Durch geringfügige Potentialvariation zwischen den einzelnen Gitterelementen kann die zuvor erläuterte Verbesserung der Abschirmwirkung ebenfalls erreicht werden, auch wenn die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Breiten der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente unterschiedlich sind. Auch hierdurch kann die Abschirmwirkung der Gitterelektrode weiter verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente über eine Stützstruktur, insbesondere eine Stützstruktur mit in radialer Richtung verlaufenden Stegen, gestützt sind. Da eine reine Anordnung ringförmiger konzentrisch zueinander angeordneter Gitterelemente nicht zu fertigen wäre, wird vorgeschlagen, die zusätzliche Stützstruktur zu ergänzen. Insbesondere können in radialer Richtung verlaufende Stege eingesetzt werden, die gleich oder ungleich über den Umfang verteilt angeordnet sein können. Die Stege können aus dem gleichen Material wie die Gitterelemente oder aus einem anderen Material gefertigt sein. Werden die Stege aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt, so können sie zugleich für die elektrische Kontaktierung der damit verbundenen ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente eingesetzt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn nur wenige Stützstrukturen vorhanden sind. Auch Stützstrukturen, die anders gestaltet sind, wie z.B. Löcher, die in einem Kreismuster angeordnet sind, sind vorteilhaft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mittlere Bereich, in dem die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente angeordnet sind, einen Abstand vom Außenumfang hat, der wenigstens 10% der Quadratwurzel der vom Außenumfang umschlossenen Fläche beträgt. Dementsprechend kann die Gitterelektrode im äußeren Bereich, d.h. außerhalb des mittleren Bereiches, in eine andere Formgebung und/oder Struktur übergehen, die z.B. nicht mehr rotationssymmetrisch ist. Beispielsweise kann sich die Formgebung der Gitterelektrode nach außen hin an die Querschnittsform der Driftröhre annähern. Hat die Driftröhre beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform, kann die Gitterelektrode nach außen hin zu einer rechteckigen Gitterstruktur übergehen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Gitterelemente auch hier wieder der Form der Äquipotentiallinien beziehungsweise der Dichte der elektrischen Feldlinien folgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente unterschiedlich voneinander geformt sind. Auch hierdurch kann die Anpassung der gesamten Gestaltung der Gitterelektrode an die Form der Äquipotentiallinien bzw. der Dichte der elektrischen Feldlinien weiter verbessert werden. Beispielsweise können die nahe des Zentrums angeordneten Gitterelemente stärker abgerundet sein, d. h. eher einer Kreisform oder Ellipsenform entsprechen, als die weiter außen liegenden Gitterelemente. Die Gitterelemente können z.B. in radialer Richtung vom Zentrum aus immer „eckiger“ gestaltet werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Gitterelektrode der zuvor erläuterten Art, mit den Schritten:

a) Bestimmen des Feldverlaufs des elektrischen Feldes an der gewünschten Einsatzposition der Gitterelektrode in der Ionenanalyseeinrichtung,
b) Bestimmen von Parametern der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente in Abhängigkeit vom Feldverlauf, insbesondere der Anzahl, der Breiten und/oder der radialen Abstände der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente,
c) Fertigen der Gitterelektrode gemäß den unter b) bestimmten Parametern der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente.

Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Dabei können je nach Ausgestaltung einer, mehrere oder alle der genannten Parameter der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente, d.h. die Anzahl, die Breiten und/oder die radialen Abstände, jeweils angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Parameter der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente derart bestimmt werden, dass die Abschirmwirkung der Gitterelektrode an der gewünschten Einsatzposition der Gitterelektrode in der Ionenanalyseeinrichtung maximiert ist beziehungsweise der verbleibende Felddurchgriff minimal wird, ggf. nach Kompensation durch eine Blockspannung. Auf diese Weise kann z.B. in einem iterativen Optimierungsprozess die Abschirmwirkung der Gitterelektrode für den jeweiligen Einsatzfall optimiert werden. Im Ergebnis wird hierdurch die Abschirmwirkung der Gitterelektrode über den Radius so angepasst, dass sich das trotz Abschirmwirkung vorhandene restliche Feld perfekt ausgleichen lässt. Das kann an manchen Stellen auch eine Reduktion der Schirmwirkung der Gitterelektrode selbst bedeuten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Feldverlauf durch Messung und/oder Simulation, insbesondere FEM-Simulation, bestimmt wird. Auch hierdurch kann die Abschirmwirkung der Gitterelektrode maximiert werden. Außer einer FEM-Simulation können selbstverständlich auch andere Arten von Simulationen eingesetzt werden.
Insbesondere vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie ohne Änderung in den bestehenden Fertigungsprozess von bekannten Gitterelektroden bzw. Ionenanalyseeinrichtungen aufgenommen werden kann, da sie in gleicher Weise hergestellt werden kann wie bekannte Gitterelektroden, beispielsweise durch Ätzen, Laserschneiden und/oder Wasserstrahlschneiden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gitterelektrode derart in der Driftröhre angeordnet, dass der Bereich der ringförmigen, konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente konzentrisch zur Querschnittsform der Driftröhre angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Formgebung der ringförmigen konzentrisch angeordneten Gitterelemente sich vom Zentrum aus in radialer Richtung zunehmend der Querschnittsform der Driftröhre der Ionenanalyseeinrichtung annähert. Auch hierdurch kann die Anpassung der gesamten Gestaltung der Gitterelektrode an die Form der Äquipotentiallinien bzw. der Dichte der elektrischen Feldlinien weiter verbessert werden.
Die Ionenanalyseeinrichtung kann z.B. als lonenmobilitätsspektrometer oder Massenspektrometer ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lonenanalyseeinrichtung ein Ionentor in Form eines Field-Switching-Shutter aufweist, wobei wenigstens eine Elektrode des Field-Switching-Shutter als eine Gitterelektrode der zuvor erläuterten Art ausgebildet ist. Dies erlaubt ein besonders effizientes Bereitstellen von Analyt-Ionen in der Ionisationskammer. Durch die erfindungsgemäße Gitterelektrode kann der Felddurchgriff des elektrischen Feldes von der Driftröhre in die Ionisationskammer minimiert werden.
Ein Field-Switching-Shutter weist eine Gegenelektrode und eine Injektionselektrode auf. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Elektroden gering sein, vorteilhafterweise kleiner als der Innendurchmesser der Driftkammer oder kleiner als 10 mm, oder kleiner als 5 mm. Bei Einsatz eines Field-Switching-Shutter erfolgt die Ionisierung, das heißt die Bereitstellung von Ionen aus einer Probe, in einem feldfreien oder nahezu feldfreien Raum, der auch als Ionisationskammer bezeichnet wird. Wenn dann ein Analyseschritt durchgeführt werden soll, werden die Elektroden des Field-Switching-Shutter für eine Injektionsphase entsprechend umgeschaltet, d.h. es wird zumindest eine Elektrode umgeschaltet, wodurch vom im Wesentlichen feldfreien Zustand in einen mit einem elektrischen Feld beaufschlagten Zustand der Ionisationskammer umgeschaltet wird, so dass die Ionen in Richtung der Driftkammer in Bewegung gesetzt werden. Die Ionisationskammer befindet sich zwischen der Gegenelektrode und der Injektionselektrode, wobei die Driftkammer des Ionenmobilitätsspektrometers von der Ionisationskammer aus gesehen hinter der Injektionselektrode angeordnet ist. Die Ionisationskammer kann sich zum Beispiel von der Gegenelektrode bis zur Injektionselektrode erstrecken. Durch entsprechende Potentialumschaltung der Elektroden des Field-Switching-Shutter können in der Ionisationskammer bereit gestellte Ionen als Ionenpaket in die Driftkammer abgegeben werden, wo sie durch ein dort erzeugtes elektrisches Feld entlang der Driftkammer bis zu einem Ionendetektor geführt werden, an dem die Detektion der auftreffenden Ionen erfolgt. Vorteilhafterweise kann während der Injektionsphase die elektrische Feldstärke innerhalb der Ionisationskammer höher als die elektrische Feldstärke in der Driftkammer sein, z.B. mehr als dreimal so hoch. Ionenmobilitätsspektrometer solcher Bauart können auch deswegen besonders kompakt bauend und kostengünstig realisiert werden, weil dort beispielsweise keine zusätzliche Reaktionskammer, wie aus DE 10 2015 112 869 A1 bekannt, der Driftkammer vorgeordnet werden muss. Dementsprechend kann das lonenmobilitätsspektrometer derart ausgebildet sein, dass ein elektrisches Feld in der Ionisationskammer lediglich durch die Elektroden des Field-Switching-Shutter erzeugt wird, sodass keine zusätzliche Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds in der Ionisationskammer erforderlich ist.
Bei einem Field-Switching-Shutter ist somit die Ionisationskammer zumindest während der Ionisationsphase im Wesentlichen frei von elektrischen Feldern. Um diesen Zustand der Feldfreiheit in der Ionisationskammer zu erreichen, kann ein gleiches Potential zwischen der Gegenelektrode und der Injektionselektrode des Field-Switching-Shutter vorhanden sein. Es kann auch eine geringfügige Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode und der Injektionselektrode angelegt werden, die sogenannte Blockspannung, um einen Felddurchgriff des elektrischen Felds aus der Driftkammer zu kompensieren. In diesem Fall bewirkt die Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode und der Injektionselektrode aber gerade nicht die Erzeugung eines elektrischen Felds in der Ionisationskammer, sondern wirkt dem Durchgriff des Feldes der Driftkammer entgegen und kompensiert somit den Zustand in der Ionisationskammer in Richtung eines feldfreien Zustands.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 eine Ionenanalyseeinrichtung in schematischer Darstellung und
2 einen beispielhaften Potentialverlauf in der Ionenanalyseeinrichtung gemäß 1 und
3 eine weitere Ionenanalyseeinrichtung in schematischer Darstellung und
4 einen beispielhaften Potentialverlauf in der Ionenanalyseeinrichtung gemäß 3 und
5 einen Querschnitt durch den Driftbereich mit Darstellung des elektrischen Feldes und
6 bis 8 Ausführungsformen von Gitterelektroden und
9 Feldverteilungen an Gitterelektroden und
10 relative Größen von Abständen von Gitterelementen in radialer Richtung.

Die 1 zeigt ein lonenmobilitätsspektrometer 1, das ein Ionentor 10 aufweist, das eine Gegenelektrode 11 und eine Injektionselektrode 12 aufweist. Zwischen der Injektionselektrode 12 und der Gegenelektrode 11 ist eine Ionisationskammer 13 gebildet. An die Ionisationskammer 13 schließt sich hinter der Injektionselektrode 12 eine Driftkammer 14 an, die an einem Ionendetektor 16 endet. Die Driftkammer 14 bildet den eingangs erwähnten Driftbereich für die Ionen.
Im Bereich der Driftkammer 14 ist eine Felderzeugungseinrichtung 15 vorhanden, z.B. in Form von die Driftkammer 14 umgebenden Ringelektroden. Die Ringelektroden umgeben eine Wand 2 des lonenmobilitätsspektrometers 1. Mit der Felderzeugungseinrichtung 15 kann ein elektrisches Feld in der Driftkammer 14 erzeugt werden, das die gewünschte Driftwirkung in einer Driftrichtung R auf die zu untersuchenden Ionen ausübt, so dass diese vom Ionentor 10 zum Ionendetektor 16 transportiert werden.
Die Driftkammer 14 kann durch ein Driftgas durchströmt werden, z.B. in entgegengesetzter Richtung zur Driftrichtung R der Ionen. Hierzu weist das lonenmobilitätsspektrometer 1 einen Driftgas-Einlassanschluss 17 und einen Driftgas-Auslassanschluss 18 auf. Am Driftgas-Einlassanschluss 17 kann das Driftgas in die Driftkammer 14 eingeleitet werden. Am Driftgas-Auslassanschluss 18 kann das Driftgas aus der Driftkammer 14 abgeführt werden.
Das lonenmobilitätsspektrometer 1 kann zusätzliche Anschlüsse für die Einleitung und Abführung eines Probengases aufweisen. Diese Anschlüsse können beispielsweise im Bereich der Ionisationskammer 13 angeordnet sein.
Das lonenmobilitätsspektrometer 1 weist außerdem eine Ionisationsquelle 3 auf, durch die Ionen in der Ionisationskammer 13 bereitgestellt werden. Das Ionentor 10 kann als Field-Switching-Shutter ausgebildet sein.
Als zusätzliches Element kann das lonenmobilitätsspektrometer 1 eine Zusatzelektrode 19 aufweisen, die von der Gegenelektrode 11 aus betrachtet hinter der Injektionselektrode 12 angeordnet ist, z.B. am Anfang der Driftkammer 14. Die Zusatzelektrode 19 kann ähnlich ausgebildet sein wie die Injektionselektrode 12 oder die Gegenelektrode 11, z.B. als Ringelektrode oder als Gitterelektrode. Durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Potentials an der Zusatzelektrode 19 sowie durch Umschalten wenigstens eines anderen Potentials des Ionentors 10, z.B. des Potentials an der Injektionselektrode 12, können Verfahren zum Doppel-Field Switching, zum Extended-Field Switching und zum Extended-Doppel-Field Switching realisiert werden, wie in WO 2019/193047 A1 beschrieben. Dies wird nachfolgend anhand des Zeitdiagramms der 2 erläutert.
In der 2 ist eine elektrische Potentialdifferenz U über die Längserstreckung s der Driftröhre dargestellt. Die Potentialdifferenz U ist die jeweilige die Potentialdifferenz zum Ionendetektor 16. Durch vertikale Linien sind die Positionen der Gegenelektrode 11, der Injektionselektrode 12, der Zusatzelektrode 19 und des Ionendetektors 16 dargestellt. Es wird angenommen, dass in der Driftkammer 14 ein linearer Potentialverlauf mit vergleichsweise geringem Potentialgradienten 20 und dementsprechend geringer Feldstärke des elektrischen Felds vorhanden ist.
Die 2 zeigt ein Beispiel für das Doppel-Field Switching. Hierbei wird das Potential der Injektionselektrode 12 zwischen zwei Werten hin- und hergeschaltet. Durch die durchgezogene Linie 21 ist der Potentialverlauf dargestellt, bei dem in der Ionisationskammer 13 kein elektrisches Feld vorhanden ist, weil keine Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode 11 und der Injektionselektrode 12 erzeugt wird. In dieser Phase können in der Ionisationskammer 13 mittels der Ionisationsquelle 3 zu analysierende Ionen erzeugt und bereitgestellt werden. Das Ionentor 10 ist in diesem Zustand somit geschlossen.
Wenn eine ausreichende Menge an zu analysierenden Ionen in der Ionisationskammer 13 angesammelt ist, wird das Potential an der Injektionselektrode 12 umgeschaltet, sodass sich der mit der gestrichelten Linie 22 dargestellte Potentialverlauf einstellt. Das in der Ionisationskammer 13 befindliche Ionenpaket wird nun durch den abfallenden Potentialverlauf aus der Ionisationskammer 13 in Richtung zur Driftkammer 14 bewegt. Dabei erfolgt eine Kompression des Ionenpakets. Nach einem bestimmten Zeitraum, wenn angenommen werden kann, dass das Ionenpaket die Injektionselektrode 12 passiert hat, aber noch nicht die Zusatzelektrode 19 passiert hat, wird das Potential an der Injektionselektrode 12 wieder auf den zuerst vorliegenden Wert umgeschaltet, sodass sich wieder der mit durchgezogener Linie 21 dargestellte Potentialverlauf ergibt. In diesem Zustand ist, wie erwähnt, die Feldstärke in der Ionisationskammer im Wesentlichen gleich Null. In dem Raum zwischen der Injektionselektrode 12 und der Zusatzelektrode 19 ist dann ein relativ steiler Potentialgradient vorhanden, somit ein relativ starkes elektrisches Feld, durch das eine zweite Kompression des in diesem Zwischenraum befindlichen Ionenpakets erfolgt. Dieses nun zum zweiten Mal komprimierte Ionenpaket wird danach in die Driftkammer 14 abgegeben.
Die Erfindung kann ebenso vorteilhaft bei einem lonenmobilitätsspektrometer 1 eingesetzt werden, das ein Ionentor 10 ohne die Zusatzelektrode 19 aufweist, z.B. einen einfachen Field-Switching-Shutter. Ein solches lonenmobilitätsspektrometer 1 ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Die 4 zeigt einen zugehörigen Potentialverlauf einem einfachen Field-Switching. Durch die durchgezogene Linie 21 ist wiederum der Potentialverlauf dargestellt, bei dem in der Ionisationskammer 13 kein elektrisches Feld vorhanden ist, weil keine Potentialdifferenz zwischen der Gegenelektrode 11 und der Injektionselektrode 12 erzeugt wird. In dieser Phase können in der Ionisationskammer 13 mittels der Ionisationsquelle 3 zu analysierende Ionen erzeugt und bereitgestellt werden. Das Ionentor 10 ist in diesem Zustand somit geschlossen
Wenn eine ausreichende Menge an zu analysierenden Ionen in der Ionisationskammer 13 angesammelt ist, wird das Potential an der Gegenelektrode 11 umgeschaltet, sodass sich der mit der gestrichelten Linie 22 dargestellte Potentialverlauf einstellt. Das in der Ionisationskammer 13 befindliche Ionenpaket wird nun durch den abfallenden Potentialverlauf aus der Ionisationskammer 13 in Richtung zur Driftkammer 14 bewegt. Nach einem bestimmten Zeitraum, wenn angenommen werden kann, dass das Ionenpaket die Injektionselektrode 12 passiert hat, wird das Potential an der Gegenelektrode 11 wieder auf den zuerst vorliegenden Wert umgeschaltet, sodass sich wieder der mit durchgezogener Linie 21 dargestellte Potentialverlauf ergibt. Zwischen diesen Zuständen wird einfachen Field-Switching beim hin und her geschaltet.
Die 5 zeigt einen Querschnitt durch die Driftkammer 14 eines lonenmobilitätsspektrometers 1, z.B. gemäß 1 oder 3. Erkennbar ist, dass das elektrische Feld 20 in der Driftkammer 14 am Rand, d.h. in der Nähe der Wand 2 und der Ringelektroden 15, relativ stark inhomogen ist. Zur Mitte hin wird das Feld 20 jedoch immer homogener, was an den gleichmäßig gerade und parallel verlaufenden Feldlinien erkennbar ist. Diese Struktur des Verlaufs des elektrischen Feldes 20 wird nun durch die Gestaltung der erfindungsgemäßen Gitterelektrode aufgegriffen.
Die 6a und 6b zeigen zwei Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Gitterelektroden 60. Die 6a zeigt eine Ausführungsform, die sich besonders für eine Driftröhre mit quadratischen Querschnitt eignet, die 6b zeigt eine Ausführungsform, die sich besonders durch eine Driftröhre mit rechteckigem Querschnitt eignet.
Die Gitterelektrode 60 gemäß 6a hat eine gitterartige Struktur, die aus Gitterelementen 61, 62, 63 gebildet wird. Alle Gitterelemente 61, 62, 63 sind elektrisch leitfähig. Die Gitterelektrode 60 hat einen Außenumfang 50, der in diesem Fall durch das äußerste (größte) Gitterelement 63 definiert ist. In dem vom Außenumfang 50 umgebenen Bereich ist ein mittlerer Bereich 51 vorhanden, der deutlich vom Außenumfang 50 beabstandet ist und etwa die Größe des im Wesentlichen homogenen Querschnitsbereichs des elektrischen Feldes 20 hat, wie in 5 dargestellt. In diesem mittleren Bereich 51 sind die Gitterelemente als konzentrisch angeordnete rotationssymmetrische Gitterelemente 61 ausgebildet.
Nach außen hin, d.h. in Richtung zum Außenumfang 50 hin, kann sich die Form der Gitterelemente verändern, d.h. dort müssen die Gitterelemente nicht mehr unbedingt rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gitterelektrode 60 in einer Ionenanalyseeinrichtung eingesetzt werden soll, die selbst keine kreisrunde Driftröhre hat, sondern beispielsweise eine Driftröhre mit quadratischem Querschnitt. Diesbezüglich zeigt die 6a beispielhaft, dass die außerhalb des mittleren Bereiches 51 angeordneten ringförmigen Gitterelemente 63 nicht mehr rotationssymmetrisch sind, sondern sich stufenweise an die rechteckige Querschnittsform der Driftröhre annähern.
Um der Anordnung aus den Gitterelementen 61, 63 den notwendigen Halt zu geben und zudem eine elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, weist die Gitterelektrode 60 eine Stützstruktur mit mehreren in radialer Richtung verlaufenden Stegen 62 auf.
In der 6b ist eine Gitterelektrode 60 dargestellt, die bis auf die Geometrie der Gitterelemente 61, 62 ,63 vergleichbar ausgebildet ist wie die Gitterelektrode 60 gemäß 6a. Da in diesem Fall von einer rechteckigen Querschnittsform der Driftröhre ausgegangen wird, sind die zentrumsnahen Gitterelemente 61 näherungsweise elliptisch geformt. Nach außen hin nähert sich die Form der Gitterelemente 61 mehr einer Rechteckform mit abgerundeten Ecken an.
Die 7 zeigt weitere Varianten der erfindungsgemäßen Gitterelektrode 60, wobei in diesem Fall nur der mittlere Bereich 51 dargestellt ist. Bei einer kreisrunden Driftröhre würde sich dieser Bereich auch bis ganz nach außen weiter fortführen. Gemäß 7a weist die Gitterelektrode gleichmäßig voneinander beabstandete ringförmige Gitterelemente 61 auf, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und aufgrund ihrer Ringform auch rotationssymmetrisch sind. Gemäß 7b weist die Gitterelektrode zusätzlich eine Stützstruktur mit vier in radialer Richtung verlaufenden Stegen 62 auf, die über den Umfang verteilt gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die 7c zeigt beispielhaft eine Gitterelektrode 60 mit einer Stützstruktur, bei der acht gleichmäßig über den Umfang beabstandete, in radialer Richtung verlaufende Stege 62 vorhanden sind.
Um die Abschirmwirkung der Gitterelektrode 60 weiter zu verbessern, können wie erwähnt die Abstände der konzentrischen Gitterelemente 61 in radialer Richtung unterschiedlich gestaltet werden. Die 8 zeigt diesbezüglich beispielhaft eine Variante in 8a, bei der die Abstände D der Gitterelemente 61 vom Zentrum zum Außenumfang hin stetig abnehmen. Die 8b zeigt eine Variante, bei der die Abstände D vom Zentrum zum Außenumfang hin stetig zunehmen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Breite B der Gitterelemente 61 in radialer Richtung variiert werden. Die in 8 dargestellten Ausführungsformen der Gitterelektrode 60 können selbstverständlich auch mit der erläuterten Stützstruktur ergänzt werden.
Anhand der 9 soll die vorteilhafte Abschirmwirkung der erfindungsgemäßen Gitterelektrode 60 weiter erläutert werden.
Die 9a zeigt den Felddurchgriff von der Driftkammer 14 in die Ionisierungskammer 13 bei der Ausführung der Gitterelektrode gemäß 7b. Grundsätzlich ist eine gute Abschirmwirkung erkennbar. Die in der Ionisierungskammer 13 erkennbaren dunkleren Bereiche sind im Wesentlichen feldfrei, die helleren Bereiche F zeigen den Durchgriff des elektrischen Feldes 20 von der Driftkammer 14. Wie man erkennt, ist trotz der angelegten Blockspannung beispielsweise in der Mitte und am Rand noch ein gewisser Felddurchgriff vorhanden.
Die 9b zeigt eine hinsichtlich der Abstände zwischen den Gitterelementen 61 weiter optimierte Gitterelektrode 60, bei der die Abstände beispielsweise durch Simulation so bestimmt sind, dass die Abschirmwirkung maximiert ist. Anhand des in der Ionisationskammer 13 weitgehend dunklen Bereiches lässt sich erkennen, dass dort tatsächlich praktisch kein elektrisches Feld mehr von der Driftkammer 14 hindurchgreift.
Die 10 zeigt beispielhaft die Größen der einzelnen Öffnungen der Gitterelemente 61 bei der optimierten Version der 9b. Es ist zu erkennen, dass die optimale Größe der Öffnungen bzw. der Abstände zwischen den Gitterelementen 61 über den Radius keiner leicht zu bestimmenden Funktion folgt. Dies kann aber beispielsweise mit einem iterativen Optimierungsalgorithmus und geeigneten Simulationen wie beispielsweise FEM rechnergesteuert ermittelt werden.

Claims

Ionenanalyseeinrichtung mit wenigstens einem Driftbereich (14) und mit wenigstens einer Felderzeugungseinrichtung (15) zur Erzeugung eines elektrischen Felds (20) im Driftbereich (14), wobei im Driftbereich (14) oder in Driftrichtung der Ionen vor dem oder nach dem Driftbereich (14) wenigstens eine Gitterelektrode (60) zur Beeinflussung des elektrischen Felds (20) in der Ionenanalyseeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei die Gitterelektrode (60) einen Außenumfang (50) und mehrere im vom Außenumfang (50) umgebenen Bereich angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente (61, 62, 63) hat, die eine gitterartige Struktur bilden, wobei die Gitterelektrode (60) wenigstens in einem mittleren Bereich (51) innerhalb des Außenumfangs (50) mehrere ringförmige, konzentrisch zueinander angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente (61) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Abstände (D) und/oder die Breiten (B) der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) unterschiedlich sind, wobei die einzelnen Gitterelemente hinsichtlich ihrer radialen Abstände (D) voneinander und/oder Breiten (B) derart angeordnet sind, dass sie dem Verlauf der Abstände der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes an der gewünschten Einsatzposition der Gitterelektrode (60) und/oder in radialer Richtung der Dichte der elektrischen Feldlinien folgen.
Ionenanalyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenanalyseeinrichtung (1) ein Ionentor (10) in Form eines Field-Switching-Shutter aufweist, wobei wenigstens eine Elektrode (11, 12, 19) des Field-Switching-Shutter als eine Gitterelektrode (60) ausgebildet ist, bei der die radialen Abstände (D) und/oder die Breiten (B) der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) unterschiedlich sind, wobei die einzelnen Gitterelemente hinsichtlich ihrer radialen Abstände (D) voneinander und/oder Breiten (B) derart angeordnet sein, dass sie dem Verlauf der Abstände der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes an der gewünschten Einsatzposition der Gitterelektrode (60) und/oder in radialer Richtung der Dichte der elektrischen Feldlinien folgen.
Ionenanalyseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der ringförmigen konzentrisch angeordneten Gitterelemente (61) sich vom Zentrum aus in radialer Richtung zunehmend der Querschnittsform der Driftröhre der Ionenanalyseeinrichtung (1) annähert.
Ionenanalyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) über eine Stützstruktur, insbesondere eine Stützstruktur mit in radialer Richtung verlaufenden Stegen (62), gestützt sind.
Ionenanalyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Bereich (51), in dem die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) angeordnet sind, einen Abstand vom Außenumfang (50) hat, der wenigstens 10% der Quadratwurzel der vom Außenumfang (50) umschlossenen Fläche beträgt.
Ionenanalyseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) unterschiedlich voneinander geformt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Gitterelektrode (60) zur Beeinflussung des elektrischen Felds (20) in einer Ionenanalyseeinrichtung (1), wobei die Gitterelektrode (60) einen Außenumfang (50) und mehrere im vom Außenumfang (50) umgebenen Bereich angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente (61, 62, 63) hat, die eine gitterartige Struktur bilden, wobei die Gitterelektrode (60) wenigstens in einem mittleren Bereich (51) innerhalb des Außenumfangs (50) mehrere ringförmige, konzentrisch zueinander angeordnete elektrisch leitfähige Gitterelemente (61) aufweist, mit den Schritten: a) Bestimmen des Feldverlaufs des elektrischen Feldes (20) an der gewünschten Einsatzposition der Gitterelektrode (60) in der Ionenanalyseeinrichtung (1), b) Bestimmen von Parametern der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) in Abhängigkeit vom Feldverlauf, insbesondere der Anzahl, der Breiten (B) und/oder der radialen Abstände (D) der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61), c) Fertigen der Gitterelektrode (60) gemäß den unter b) bestimmten Parametern der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der ringförmigen konzentrisch zueinander angeordneten Gitterelemente (61) derart bestimmt werden, dass durch die Gitterelektrode (60) an der gewünschten Einsatzposition in der Ionenanalyseeinrichtung (1) die Abschirmwirkung maximiert und/oder der resultierende Felddurchgriff minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldverlauf durch Messung und/oder Simulation, insbesondere FEM-Simulation, bestimmt wird.