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Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes
Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit einem Ionisationsraum mit Gaseinlass
und Gasauslass, einer Ionisationsquelle und mit einem Driftraum
mit Driftgaseinlass, wobei dem Driftgaseinlass eine Gasreinigungseinrichtung
vorgeschaltet ist.
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Ionenbeweglichkeitsspektrometer dienen unter
anderem zur Detektion von Spuren (typischerweise ng/L bis pg/L-Bereich
(ppmv bis pptv-Bereich)) von
Gasen in Luft oder anderen Trägergasen.
Sie sind insbesondere zur Detektion chemischer Kampfstoffe, von
Sprengstoffen oder Drogen geeignet, spielen aber auch in immer mehr
anderen Anwendungsgebieten eine Rolle. In letzter Zeit sind solche Spektrometer
miniaturisiert worden. Waren Ionenbeweglichkeitsspektrometer zunächst als
Auftischgeräte
bekannt, kamen im letzten Jahrzehnt tragbare Spektrometer zum Einsatz,
deren Hauptkomponenten so klein sind, dass sie zum Beispiel auf
einen Handteller passen. Dies trifft insbesondere auf die Herzstücke, die
miniaturisierten Driftröhren,
zu, die inzwischen nur wenige Zentimeter lang sind und Außendurchmesser
von ca. 1 cm haben.
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Diese miniaturisierten, als selbständiges Gerät gebauten
Spektrometer sind beispielsweise zur Detektion chemischer Kampfstoffe
geeignet. Sie weisen in der Regel einen Gaskreislauf auf und ein
Probenentnahmesystem. Betriebsgemäß strömt dem den Analyten enthaltenden
Trägergas
ein Driftgas entgegen. Diese Driftgas dient unter anderem dazu, zu
sichern, dass selbst bei nicht ideal geschlossenem Gitter höchstens
neutrale Trägergasmoleküle in den Driftraum
des Ionenbeweglichkeitspektrometers gelangen können. Eine Grundlage des Betriebes
eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers ist es, dass nur im Ionisationsraum
eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers mit beispielsweise einer 63Ni-Beta-Strahlungsquelle bei verschiedenen
Wechselwirkungsprozessen, vorzugsweise durch Ionen-Molekül-Reaktionen,
aber auch durch Umladungsprozesse, Ladungen von Trägergas-
zu Analytmolekülen, übergehen. Insbesondere
sollen sich im Driftraum keine Analytmoleküle aufhalten, da sonst auch
dort diese Prozesse auftreten können
und somit der Startpunkt für
die Drift der Analytionen nicht mehr durch die Lage des Ionengitters
allein bestimmt wird, sondern sie prinzipiell überall im Driftraum starten
könnten.
Solche "Verschmierungen" des geometrischen
Startpunktes verringern damit die Auflösung der sonst hochauflösenden Spektrometer.
Es versteht sich von selbst, dass das Driftgas selbst im Idealfall
keine, in jedem Fall möglichst
geringe Kontamination aufweisen soll, so dass es in den Ionenbeweglichkeitsspektrometern in
der Regel im Gaskreislauf über
eine externe Reinigungsstufe geführt
wird, beispielsweise eine mit einem geeigneten Reinigungsmaterial
gefüllte
Patrone, die jedoch deutlich größer ist
als eine miniaturisierte Driftröhre
selbst.
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Insbesondere bei der Detektion chemischer Kampfstoffe
oder vergleichbarer Stoffe, aber auch sonstiger giftiger oder krebserzeugender
Stoffe, beispielsweise solche, die bei Bränden entstehen können, ist
es üblich,
dass die damit befassten Personen Schutzkleidung tragen. Solche
Schutzkleidung für Menschen
gegenüber
Einflüssen
von Chemikalien oder dergl. soll dabei häufig ein Eindringen über die Kleidung
in Körpernähe, insbesondere
in oder auf die Haut, ausschließen.
Dabei sind zwangsläufig
Kompromisse einzugehen, weil ein hermetischer Abschluss auch die
Atmung über
die Haut unterbinden würde.
So sollen beispielsweise bei modernen militärischen Uniformen eingedrungene
Chemikalien, insbesondere chemische Kampfstoffe, beispielsweise über Adsorbermaterial
in einer Textilschicht oder zwischen einzelnen Schichten gebunden
werden. Die Wirksamkeit der Schutzfunktion einer solchen Schutzkleidung
läßt sich
jedoch für
den Träger
nicht überprüfen, d.h.,
wenn die Schutzkleidung nach einer gewissen Zeit kontaminiert ist,
tritt dieses Ereignis (Durchbruch durch Schutzkleidung) weitgehend ohne
Vorwarnung ein.
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Während
der Detektion chemischer Kampfstoffe oder dergl. ist eine damit
befasste Person somit üblicherweise
mit einer vorbeschriebenen Schutzkleidung ausgerüstet und trägt zu sätzlich ein vorbeschriebenes,
vorzugsweise miniaturisiertes Ionenbeweglichkeitsspektrometer, das
mit dem notwendigen und gegenüber
der miniaturisierten Driftröhre
wesentlich größeren und
schwereren Zubehör, beispielsweise
einer Reinigungsgaspatrone für
das Driftgas ausgerüstet
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die
Trage- und Gebrauchseigenschaften eines miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers
für eine
eine Schutzkleidung tragende Person wesent1ich zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird mit einem miniaturisierten
Ionenbeweg1ichkeitsspektrometer der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die Gasreinigungseinrichtung von wenigstens einem in ein Kleidungsstück integrierten
Adsorbermaterial gebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird somit das Driftgas des
miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers über das
in die Schutzbekleidung eingebettete Adsorbermaterial geführt und
so von evtl. Kontaminationen gereinigt. Damit müssen keine zusätzlichen Reinigungspatronen
für das
Driftgas des Ionenbeweg1ichkeitsspektrometers mitgeführt werden,
die einen wesentlichen Gewichtsanteil, beispielsweise bei tragbaren
Spektrometern, ausmachen, der damit vollständig entfällt. Außerdem verlängert sich die Funktionsdauer
des Spektrometers da durch, dass in der Kleidung in der Regel eine
größere Menge
Adsorbermaterial untergebracht ist als in zusätzlichen Patronen. Neben dieser
Verbesserung der Trageeigenschaften ergibt sich als wesentlicher weiterer
Vorteil auch eine Überwachung
der Zuverlässigkeit
der Schutzfunktion der Schutzkleidung, denn durch eine "Verschmierung" des Spektrums, durch Übergang
vom hochauflösenden
in den niedrigauflösenden
Modus, wird der häufig
unerwünschte Durchbruch
einer Chemikalie im Adsorbermaterial der Schutzkleidung angezeigt
und damit die Verringerung der Wirkung oder der Ausfall der Schutzkleidung
für den
Träger
direkt signalisiert. Erfindungsgemäß ist nur der interne Gaskreislauf
für das
Driftgas über
das Adsorbermaterial des Kleidungsstückes geführt, das Spektrometer beliebiger
Bauart selbst ist von außen
angeschlossen.
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Da derartige Schutzkleidung in üblicher
Weise Adsorbermaterialien aus Aktivkohle oder eines Molekularsiebes
oder anderer Gasreinigungsmaterialien aufweisen, ist bevorzugt vorgesehen,
dass das Adsorbermaterial aus diesen Materialien besteht. Eine Änderung
der Schutzkleidung ist somit leicht durchzuführen, denn es ist lediglich über Schläuche oder
dergl. ein Anschluss des Adsorbermateriales der Schutzkleidung an
den Gaskreislauf des Spektrometers erforderlich.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass der Gasauslass über einen Bypass mit dem Adsorbermaterial
verbunden ist. In den Reinigungskreislauf durch das Adsorbermaterial der
Schutzkleidung tritt dann nur die notwendige Driftgasmenge, während überschüssiges Gas
direkt in die Umgebung abgegeben wird.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein,
dass der Gasauslauss in das Adsorbermaterial mündet. Da die Schutzkleidung
selbst gasdurchlässig
ist, kann dann nicht als Driftgas in den Driftraum rückgeführtes Gas,
das aus dem Ionenbeweglichkeitsspektromter austritt, auch durch
die Kleidung selbst in die Umgebung abgegeben werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist in weiterer bevorzugter
Ausgestaltung vorteilhaft vorgesehen, dass der Gaseinlass am dem
Ionisationsraum abgewandten Ende in das Gewebe des Kleidungsstückes außerhalb
des Adsorbermateriales mündet.
Der Gaseinlass steht somit nicht mehr direkt mit der Umgebung in
Kontakt, das zu analysierende Gas wird dann aus dem Gewebe aufgenommen,
jedoch so, dass das Adsorbermaterial nicht durchlaufen wird. Das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer ist dann vollständig in die Kleidung integriert,
so dass die Umgebungsluft zunächst
in das Gewebe der Kleidung eintritt und von dort in das Ionenbeweglichkeitsspektrometer.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung bei spielhaft näher
erläutert.
Diese zeigt in:
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1 ein
Prinzipschema eines erfindungsgemäßen miniaturisierten Ionenbeweglichkeitsspektrometers
in einer ersten Ausgestaltung und in
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2 eine
zweite Ausgestaltung eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers.
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Ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist üblicherweise
röhrenförmig ausgebildet
und weist zunächst
einen röhrenförmigen Ionisationsraum 5 auf, in
welchem eine nicht dargestellte Ionisationsquelle angeordnet ist.
Der Ionisationsraum 5 ist mit einem durch einen Pfeil angedeuteten
Gaseinlass 1 versehen, durch den zu analysierende Gasmoleküle aus der
Umgebung in den Ionisationsraum 5 eintreten. Der Ionisationsraum 5 ist
durch ein nicht dargestelltes Ionengitter oder Ionentor von einem
Driftraum 6 abgetrennt, an dessen anderem Ende eine nicht
dargestellte Faraday-Platte angeordnet ist.
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Im an das Ionengitter angrenzenden
Randbereich des Ionisationsraumes 5 ist ein Gasauslass 2 vorgesehen.
Entlang des gesamten röhrenförmigen Ionisationsraumes 5 sowie
Driftraumes 6 ist ein elektrisches Feld angelegt, das nicht
näher dargestellt
ist.
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Im Randbereich sowohl des Ionisationsraumes 5 als
auch des Driftraumes 6 können in üblicher Weise beabstandet voneinander
Driftringe angeordnet sein, die ebenfalls nicht dargestellt sind.
Am Ende des Driftraumes 6 ist ein Driftgaseinlass 3 angeordnet.
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Gas, beispielsweise aus Umgebungsluft,
mit Analyten, wird durch den Gaseinlass 1 in den Ionisationsraum 5 geführt und
am Gasauslass 2 wieder in die Umgebungsluft abgegeben.
Ein Teil des aus dem Gasauslass 2 austretenden Gases wird über einen Bypass 2a über eine
Reinigungsstufe nach der Reinigung als Driftgas über den Driftgaseinlass 3 in
das Ionenbeweg1ichkeitsspektrometer zurückgeführt. So entsteht für das Driftgas
ein Reinigungsgaskreislauf über
den Bypass 2a, die Reinigungsstufe 4 zum Driftgaseinlass 3 und
durch den Driftraum 6 hindurch wiederum zum Bypass 2a.
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Wesentlich für das erfindungsgemäße Ionenbeweglichkeitsspektrometer
ist nun, dass die Reinigungsstufe 4 von einem in ein Kleidungsstück 7 integrierten
Adsorbermaterial 8 gebildet ist, welches beispielsweise
aus Aktivkohle besteht oder von einem Molekularsieb gebildet ist.
Solche Kleidungsstücke
sind beispielsweise als militärische
Schutzkleidung bekannt, sie werden verwendet, um Schutz vor gefährlichen
Substanzen, beispielsweise Giften oder chemischen Kampfstoffen,
zu bieten. Dabei kann Umgebungsluft in das Gewebe des Kleidungs stückes 7 und
durch das Adsorbermaterial 8 hindurch an die Haut des Trägers gelangen,
wird dabei aber beim Durchtritt durch das Adsorbermaterial 8 mehr
oder weniger gereinigt, je nach Sättigungsgrad des Adsorbermateriales 8.
Umgekehrt kann Luft durch die Kleidung hindurch bei 9 wieder
an die Umgebung abgegeben werden.
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Erkennbar ist somit der Driftgasreinigungskreislauf
des Ionenbeweglichkeitsspektrometers in die Schutzkleidung integriert,
so dass zusätzliche Reinigungspatronen
oder dergl., die vom Träger
mitgeführt
werden müssen
und ein nicht unerhebliches Gewicht aufweisen, völlig entfallen können. Das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer selbst ist über den Bypass 2a und
den Driftgaseinlass 3 in geeigneter Weise mit dem Adsorbermaterial 8 des
Kleidungsstückes
zu verbinden, auf einfachste Weise beispielweise mittels Schläuchen.
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Neben der Einsparung einer zusatzlichen Reinigungspatrone
für das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer weist das erfindungsgemäße Ionenbeweglichkeitsspektrometer
den erheblichen weiteren Vorteil auf, dass dem Benutzer automatisch
auch die Reinigungswirksamkeit seiner Schutzkleidung angezeigt wird,
denn wenn das Adsorbermaterial zu stark mit Fremdstoffen beladen
ist, erfolgt auch keine einwandfreie Reinigung des Driftgases mehr,
was unmittelbar zu einer sichtbaren "Verschmierung" des Spektrums, durch Übergang
vom hochauflösen den in
den niedrigauflösenden
Modus sichtbar wird, so dass dem Träger der Kleidung direkt die
Verringerung der Wirkung seiner Schutzkleidung signalisiert wird
und er entsprechende Maßnahmen
treffen kann.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform,
in der, sofern gleiche Teile betroffen sind, dieselben Bezugszeichen
wie in 1 verwandt sind.
Im Unterschied zur Ausführungsform
nach 1 entfällt bei dieser
Variante ein Gasauslass 2, der in die Umgebung mündet. Vielmehr
mündet
der nunmehr mit 2a bezeichnete Gasauslass direkt in das
Adsorbermaterial 8 des Kleidungsstückes 7 bzw. dessen
Gewebes und ein Teil des aus dem Ionisationsraum 5 austretenden
Gases kann über
das Kleidungsstück 7 bei 9 an
die Umgebung abgegeben werden, während
ein Teil gereinigt und durch den Driftgaseinlass 3 hindurchströmt.
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Ferner ist beim Ausführungsbeispiel
nach 2 vorgesehen, dass
der Gaseinlass 1 nicht direkt mit der Umgebung verbunden
ist, sondern mit dem Gewebe des Kleidungsstückes 7, so dass das
Gas mit Analyten über
das Gewebe aufgenommen wird, jedoch so, dass das Adsorbermaterial 8 dabei
nicht durchlaufen wird. Damit ist für diese Ausführungsform
bei 10 die Einlassstelle für den Analyten und bei 9 der
Auslass.
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Bei dieser Ausführungsform ist somit das Ionenbeweglichkeitsspektrometer
in das Kleidungsstück 7 integriert,
so dass im Gewebe an der Stelle 10 Umgebungsluft in das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer eindringt und, ohne das Adsorbermaterial 8 zu
durchlaufen, in den Gaseinlass 1 gelangt, der nun keinen
direkten Kontakt mit der Umgebungsluft mehr hat. Damit kann der
Gasaustausch an verschiedenen Stellen des Kleidungsstückes 7 realisiert
werden, vorausgesetzt, es erfolgt keine Gasleitung über das
Adsorbermaterial 8.