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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Korona-Entladungsvorrichtung und ein eine derartige Korona-Entladungsvorrichtung aufweisendes Ionenmobilitätsspektrometer.
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2. Stand der Technik
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Ein Ionenmobilitätsspektrometer realisiert die Unterscheidung von Ionen dadurch, dass unterschiedliche Ionen eine unterschiedliche Driftgeschwindigkeit in einem homogenen schwachen elektrischen Feld aufweisen. Es weist die folgenden Vorteile auf, nämlich eine hohe Auflösungsgeschwindigkeit, eine hohe Empfindlichkeit, erleichtert eine Miniaturisierung und es benötigt keine Vakuumumgebung. Daher werden Ionenmobilitätsspektrometer auf dem Gebiet der Detektion von Drogen und Sprengstoffen weit verbreitet eingesetzt. Typische Ionenmobilitätsspektrometer bestehen in der Regel aus einem Probennahmeabschnitt, einer Ionisierungszone, einer Ionenschranke, einer Driftzone, einer Sammelzone, Ausleseschaltungen, Datensammlung- und Verarbeitungen, einem Steuerungsteil etc. Dabei besteht die Hauptfunktion der Ionisierungszone darin, die Probenmoleküle in zur Drifttrennung brauchbare Ionen umzuwandeln. Der Ionisierungseffekt beeinflusst die Funktionalität des Ionenmobilitätsspektrometers. Die momentane Technik verwendet die häufigste und die am weitesten eingesetzte Ionisierungsbaugruppe, nämlich eine Ni63-Emissionsquelle. Der Ionisierungszusammenbau weist ein kleines Volumen und eine hohe Stabilität auf und erfordert keine zusätzliche Schaltung und bringt zugleich einen schmalen linearen Bereich, eine niedrige Konzentration der umgewandelten Ionen und an radioaktiver Kontamination mit sich. Insbesondere die radioaktive Kontamination verursacht zahlreiche Unbequemlichkeiten bei dem Betrieb, dem Transport und der Verwaltung der Anlagen.
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Eine Lösung zur Überwindung dieses Problems liegt in der Verwendung der Korona-Entladungstechnik, die die Emissionsquellentechnik ersetzt. Die Korona-Entladung ist ein Phänomen, bei dem Gasmoleküle in räumlich inhomogenen elektrischen Feldern aufgrund eines lokalen starken elektrischen Feldes ionisiert werden. Die durch die Korona-Entladung unmittelbar entstehenden Ionen werden normalerweise als Edukt-Ionen bezeichnet. Wenn Moleküle einer Probe mit einer höheren Protonen- oder Elektronenaffinität durch die Ionisierungszone durchtreten, fangen sie die Ladung der Edukt-Ionen ein und werden dadurch ionisiert. In der Regel ist die Struktur der Korona-Entladung relativ einfach, weshalb sie auch kostengünstig ist, wobei die Konzentration der durch die Korona-Entladung entstehenden Ladungen viel höher ist im Vergleich zur Emissionsquelle und diese ist daher für die Empfindlichkeitssteigerung von Ionenmobilitätsspektrometern vorteilhaft, und man erlangt einen relativ großen dynamischen Bereich.
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Jedoch existieren Nachteile in der Ionisierung unter Verwendung von Ionenmobilitätsspektrometern. Neben der Tatsache, dass hohe Spannungsquellen zur Energieversorgung nötig sind, kann es aufgrund dessen, dass die Korona-Entladung als gepulster Vorgang (Trichel-Pulse) abläuft, dazu kommen, dass die Spektrallinien ungeordnet sind und die Testergebnisse beeinträchtigt werden, wenn man die Ionen direkt über die Ionen-Schranke in das Ionenmobilitätsspektrometer eintreten lässt. Ferner werden die Ionen in den Bereichen der Korona-Entladung durch das elektrische Feld in diesen Bereichen beschleunigt und prallen gegen die Korona-Elektroden und gehen dadurch verloren, so dass eine Empfindlichkeitssteigerung des Mobilitäts-Spektrometers verhindert wird. Wie die Ionen effektiv aus der Ionisierungszone herausgeführt werden können, ist ein ernsthaftes Problem. Außerdem ist die Verlängerung der Lebenserwartung der Elektroden aufgrund dessen, dass die Korona-Entladung zur Oxidation der Korona-Elektroden führen kann, ebenfalls ein bedeutendes Problem.
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ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Korona-Entladungsvorrichtung und ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer derartigen Korona-Entladungsvorrichtung bereitzustellen, die die Lebensdauer der Elektroden strukturell verlängern können.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen, das strukturell für das Herausführen von Ionen vorteilhaft ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Ionenmobilitätsspektrometer bereitzustellen, das mittels Fokussier- und Speicherelektroden Störungen von Korona-Entladungspulsen effektiv abschirmen kann.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung eine Korona-Entladungsvorrichtung bereit, mit einer ersten Elektrode, die einen im Wesentlichen zylinderförmigen ersten inneren Kammerabschnitt und einen mit dem ersten inneren Kammerabschnitt verbundenen im Wesentlichen kegelförmigen zweiten inneren Kammerabschnitt umfasst, wobei eine Querschnittsfläche des zweiten inneren Kammerabschnittes in einer vom ersten inneren Kammerabschnitt weg zeigenden Richtung allmählich zunimmt.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Elektrode ferner einen im Wesentlichen zylinderförmigen ersten Abschnitt, der den ersten inneren Kammerabschnitt umgrenzt, und einen mit dem ersten Abschnitt verbundenen im Wesentlichen kegelförmigen zweiten Abschnitt, der den zweiten inneren Kammerabschnitt begrenzt.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist der erste innere Kammerabschnitt eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, wobei der zweite innere Kammerabschnitt im Wesentlichen eine kreisförmige Kegelform aufweist, wobei der erste innere Kammerabschnitt und der zweite innere Kammerabschnitt im Wesentlichen koaxial angeordnet sind.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist die erste Elektrode ferner eine durch eine Wand der ersten Elektrode hindurchtretende Öffnung auf, wobei die Korona-Entladungsvorrichtung eine zweite Elektrode aufweist, die durch die Öffnung der ersten Elektrode von außen ins Innere der ersten Elektrode hineingesteckt ist, wobei die zweite Elektrode die Form einer Nadel aufweist.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist die zweite Elektrode in den ersten inneren Kammerabschnitt eingeschoben.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist die nadelförmige zweite Elektrode als zumindest ein Paar von gegenüberliegend angeordneten und sich im Wesentlichen entlang einer selben Geraden erstreckenden nadelförmigen zweiten Elektroden ausgebildet.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung ein Ionenmobilitätsspektrometer bereit, mit einer Ionisierungszone und einer in der Ionisierungszone angeordneten Korona-Entladungsvorrichtung, sowie die vorstehend genannte Korona-Entladungsvorrichtung.
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer ferner eine Fokussier- und Speicherelektrode, die einen im Wesentlichen kegelförmigen Randabschnitt aufweist, wobei zumindest ein Teil des Randabschnitts in den zweiten inneren Kammerabschnitt der ersten Elektrode eingebracht ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung weist der Randabschnitt die Form eines im Wesentlichen kreisförmigen Kegels auf.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung weist der erste innere Kammerabschnitt eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, wobei der Durchmesser eines an der Korona-Entladungsvorrichtung anliegenden Endabschnittes des Randabschnittes kleiner ist als der Durchmesser des ersten inneren Kammerabschnittes.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer ferner eine erste Gitter-Elektrode, die mit einem von der Korona-Entladungsvorrichtung entfernten Ende des Rohrabschnittes der Fokussier- und Speicherelektrode elektrisch verbunden ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer ferner eine zweite Gitter-Elektrode, die mit einem vorgegebenen Abstand von der ersten Gitter-Elektrode beabstandet ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung sind die erste Elektrode und die Fokussier- und Speicherelektrode im Wesentlichen koaxial angeordnet.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung fließt ein Trägergas in der ersten Elektrode im Wesentlichen entlang einer axialen Richtung der ersten Elektrode.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung ein Ionenmobilitätsspektrometer bereit, das Folgendes umfasst, nämlich eine Ionisierungszone, eine in der Ionisierungszone angeordnete Korona-Entladungsvorrichtung, wobei eine zylindrische Elektrode einen inneren Kammerabschnitt aufweist, sowie eine Fokussier- und Speicherelektrode, die einen im Wesentlichen kegelförmigen Randabschnitt aufweist, von der zumindest ein Bereich in den inneren Kammerabschnitt der Elektrode eingebracht ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung weist der Randabschnitt im Wesentlichen die Form eines kreisförmigen Kegels auf.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung weist der innere Kammerabschnitt im Wesentlichen die Form eines kreisförmigen Zylinders auf, wobei der Durchmesser eines Endabschnittes des Randabschnittes nahe zur Korona-Entladungsvorrichtung kleiner als der Durchmesser des inneren Kammerabschnittes ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer ferner eine erste Gitter-Elektrode, die mit einem von der Korona-Entladungsvorrichtung entfernten Ende des Randabschnittes der Fokussier- und Speicherelektrode elektrisch verbunden ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer ferner eine zweite Gitter-Elektrode, die mit einem vorgegebenen Abstand von der ersten Gitter-Elektrode beabstandet ist.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung sind die Elektrode und die Fokussier- und Speicherelektrode im Wesentlichen koaxial angeordnet.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung fließt ein Trägergas in der Elektrode im Wesentlichen entlang einer axialen Richtung der Elektrode.
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Die Verwendung mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann für das Herausführen der Ionen vorteilhaft sein und verlängert die Lebensdauer der Elektroden. Zusätzlich kann die Verwendung von Fokussier- und Speicherelektroden die Störung der Korona-Entladungspulse effektiv abschirmen, die Ionen der Proben anziehen sowie fokussieren. Die Verwendung des vorgeschlagenen Spannungssteuerungsschemas ergibt die Driftunterscheidung der Ionen und schirmt gleichzeitig die Fluktuationen der Ionen-Anzahl aufgrund von Korona-Pulsen ab und erzielt den Effekt von hochaufgelösten Mobilitätsspektrallinien.
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FIGURENLEGENDE
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
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2 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer Korona-Entladungsvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
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3 zeigt eine schematische Ansicht von links der Korona-Entladungsvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
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4 zeigt eine perspektive Ansicht der Korona-Entladungsvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Fokussier- und Speicherelektrode gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
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6 zeigt eine schematische Ansicht von rechts der Fokussier- und Speicherelektrode gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
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7 zeigt ein schematisches Diagramm des elektrischen Potentials der verschieden Bauteile eines Ionenmobilitätsspektrometers gemäß eines Ausführungsbeispiels der folgenden Erfindung in einem Positiv-Ionen-Modus.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNSBEISPIELE
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Das Ionenmobilitätsspektrometer der vorliegenden Erfindung kann im Positiv-Ionen-Modus oder in einem Negativ-Ionen-Modus arbeiten, wobei aus praktischen Gründen nachfolgend nur Beispiele anhand des Positiv-Ionen-Modus erläutert werden.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Ionenmobilitätsspektrometers 10 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Wie 1 zeigt, weist das Ionenmobilitätsspektrometer 10 ein Gehäuse 20, einen Probennahmeabschnitt 22, eine Ionisierungszone 24, eine Fokussier- und Speicherelektrode 14, eine Driftzone 28, eine Sammelzone 30, eine Ausleseschaltung 40, eine Datensammlungs- und Verarbeitungsvorrichtung, einen Steuerungsabschnitt etc. auf. Der Probennahmeabschnitt 22 umfasst eine Zufuhr 221 zum Einführen des Trägergases und der Proben. Ferner umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer 10 eine Gasabfuhr 201 und eine Driftgaszufuhr 202. Das Ionenmobilitätsspektrometer 10 umfasst ferner eine in der Ionisierungszone 24 angeordnete Korona-Entladungsvorrichtung 50, eine in der Driftzone 28 angeordnete Driftelektrode 16, wobei die Driftelektrode 16 als voneinander äquidistant angeordnete koaxiale Ringe ausgebildet ist, eine in der Sammelzone 30 angeordnete Faraday-Platte 18 sowie ein zwischen der Driftelektrode 16 und der Faraday-Platte 18 angeordnetes Lochgitter 17, das unterdrückt, dass Ionen elektrostatisch induzierte Ladungen an der Faraday-Platte 18 erzeugen. Das Lochgitter 17 ist als ein einziges Gitternetz ausgebildet. Die Faraday-Platte 18 ist als eine kreisförmige Scheibe ausgebildet und ist mit an einen Ladungsempfindlichkeitsverstärker gekoppelt, um Signale der Ionen auszulesen.
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Wie in 2 bis 4 gezeigt umfasst die Korona-Entladungsvorrichtung eine erste Elektrode 12, die einen im Wesentlichen zylinderförmigen ersten inneren Kammerabschnitt 530 und einen mit dem ersten inneren Kammerabschnitt 530 verbundenen im Wesentlichen kegelförmigen zweiten inneren Kammerabschnitt 550 aufweist, wobei die Querschnittsfläche des zweiten inneren Kammerabschnittes in einer vom ersten inneren Kammerabschnitt weg zeigenden Richtung allmählich zunimmt. Die erste Elektrode 12 weist eine im Wesentlichen rohrförmige Form auf. Die erste Elektrode 12 umfasst ferner einen ersten Abschnitt 53, wobei der erste Abschnitt 53 den ersten inneren Kammerabschnitt 530 umgrenzt, und umfasst ferner einen mit dem ersten Abschnitt 53 in Verbindung stehenden im Wesentlichen kegelförmigen zweiten Abschnitt 55, wobei der zweite Abschnitt 55 den zweiten inneren Kammerabschnitt 550 umgrenzt.
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Wie in 1 bis 4 gezeigt kann der erste innere Kammerabschnitt 530 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen, wobei der zweite innere Kammerabschnitt 550 im Wesentlichen die Form eines kreisförmigen Konus aufweisen kann, wobei der erste innere Kammerabschnitt 530 und der zweite innere Kammerabschnitt 550 im Wesentlichen koaxial angeordnet sind. Der erste Abschnitt 53 kann im Wesentlichen die Form einer Zylinderfläche aufweisen, wobei der zweite Abschnitt 55 im Wesentlichen die Form einer kreisförmigen Kegelfläche aufweisen kann, wobei der erste Abschnitt 53 und der zweite Abschnitt 55 im Wesentlichen koaxial angeordnet sein können. Der erste innere Kammerabschnitt 530, der zweite innere Kammerabschnitt 550, der erste Abschnitt 53 und der zweite Abschnitt 55 können auch andere geeignete Formen aufweisen.
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Wie in 2 bis 4 gezeigt weist die erste Elektrode 12 ferner eine durch die Wand der ersten Elektrode 12 hindurchreichende Öffnung 51 auf. Die Öffnung 51 kann durch die Wand des ersten Abschnittes 53 oder des zweiten Abschnittes 55 hindurchreichen. Die Korona-Entladungsvorrichtung umfasst ferner eine von außen über die Öffnung 51 der ersten Elektrode 12 ins Innere der ersten Elektrode 12 eingebrachte zweite Elektrode 11 auf, wobei die zweite Elektrode 11 eine Nadelform aufweist. Die zweite Elektrode 11 kann in den ersten inneren Kammerabschnitt 35 oder in den zweiten inneren Kammerabschnitt 550 eingeführt sein.
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Wie in 2 bis 4 gezeigt ist die nadelförmige zweite Elektrode 11 als zumindest ein Paar (bspw. ein Paar, zwei Paare, drei Paare oder noch mehr Paare) von gegenüberliegend angeordneten und sich im Wesentlichen entlang einer selben Geraden erstreckenden nadelförmigen zweiten Elektroden 11 ausgebildet. Als Alternative kann jedes Paar der zweiten Elektroden 11 zueinander versetzt angeordnet sein und nicht gegenüber liegen. Die zweite Elektrode 11 kann als eine Korona-Nadel bezeichnet werden, während die erste Elektrode 12 als eine Korona-Zielelektrode bezeichnet werden kann.
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Wie in 2 bis 4 gezeigt kann die nadelförmige zweite Elektrode 11 über ein rohrförmiges Isolatorstück 13 mit dem ersten Abschnitt 53 verbunden sein. Die zweite Elektrode 11 kann sich entlang der radialen Richtung des rohrförmigen ersten Abschnitts 53 erstrecken, wobei die in den ersten inneren Kammerabschnitt 530 hineinreichende Länge einstellbar ist. Die zweite Elektrode 11 ist aus oxidationsbeständigem Metall wie Edelstahl, Wolfram, Nickel, Platin etc. hergestellt. Die erste Elektrode 12 kann aus einem mit Nickel beschichteten üblichen Metall hergestellt sein.
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Wie in 1 bis 4 gezeigt dient das Innere der ersten Elektrode 12 als ein Gaspfad, wobei das von der Zufuhr 221 in das Ionenmobilitätsspektrometer zugeführte Trägergas und die Probe entlang des Gaspfades strömt. Das Trägergas fließt im Wesentlichen entlang der axialen Richtung der ersten Elektrode 12 in der ersten Elektrode 12. Dies bedeutet, eine Richtung A, in der das Trägergas in das Mobilitätsspektrometer strömt, verläuft im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung der ersten Elektrode 12. Die zweite Elektrode 11 reicht in den Gaspfad hinein. Die Richtung des jeweiligen in der ersten Elektrode 12 und in der zweiten Elektrode 11 entstehenden elektrischen Feldes kreuzt sich orthogonal mit der Richtung A des Gasflusses, wodurch vermieden werden kann, dass das elektrische Feld die elektrischen Feldbereiche stromabwärtig des Gaspfades stört.
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Wie in 1 bis 5 gezeigt weist die Fokussier- und Speicherelektrode 14 einen im Wesentlichen kegelförmigen Randabschnitt 141 auf, der im Wesentlichen eine Kegelflächenform aufweisen kann. Zumindest ein Abschnitt des kegelförmigen Randabschnitts 141 ersteckt sich in den zweiten inneren Kammerabschnitt 550 der ersten Elektrode 12 hinein. Der Randabschnitt 141 berührt die erste Elektrode 12 nicht. Für den Fall, dass die erste Elektrode mit einer inneren Kammer verwendet wird, kann zumindest ein Abschnitt des kegelförmigen Randschnittes 141 auf ähnliche Weise in die innere Kammer der ersten Elektrode hineinreichen. Der zweite Abschnitt kann es erleichtern, dass der Randabschnitt 141 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 möglichst nahe der Korona-Zone angeordnet werden kann und mit der Fokussier- und Speicherelektrode 14 ein elektrisches Fokussier-Feld bildet. Der Durchmesser eines an der Korona-Entladungsvorrichtung 50 anliegenden Endabschnittes des Randabschnittes 141 ist kleiner als der Durchmesser des ersten inneren Kammerabschnittes 530 des ersten Abschnittes 53 der ersten Elektrode 12. Beispielsweise ist der Durchmesser des nach an der Korona-Entladungsvorrichtung 50 liegenden Endabschnittes 143 des Randabschnittes 141 um etwa 1 bis 3 Millimeter kleiner als der Durchmesser des ersten inneren Kammerabschnittes 530 des ersten Abschnittes 53 der ersten Elektrode 12.
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Alternativ kann die erste Elektrode 12 ausschließlich den im Wesentlichen zylinderförmigen ersten inneren Kammerabschnitt 530 ohne den im Wesentlichen kegelförmigen zweiten inneren Kammerabschnitt 550 aufweisen. Dabei kann der zumindest eine Abschnitt des Randabschnittes 141 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 in den ersten inneren Kammerabschnitt 530 der ersten Elektrode 12 eingebracht sein.
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Die Fokussier- und Speicherelektrode 14 kann ausschließlich den Randabschnitt 141 aufweisen. Alternativ kann die Fokussier- und Speicherelektrode 14 ferner einen Flansch 149 umfassen, der an einem einen größeren Durchmesser aufweisenden Endabschnitt 147 des kegelförmigen Rohrabschnittes 141 ausgebildet ist. Die erste Elektrode 12 und die Fokussier- und Speicherelektrode 14 können im Wesentlichen koaxial angeordnet sein.
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Wie in 1 gezeigt umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer 10 ferner eine erste Gitterelektrode 145, die mit dem von der Korona-Entladungsvorrichtung 50 entfernt befindlichen Endabschnitt 147 des Rohrabschnittes 141 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 elektrisch verbunden ist. Die erste Gitterelektrode 145 steht mit dem von der Korona-Entladungsvorrichtung 50 entfernt befindlichen Endabschnitt 147 des Randabschnittes 141 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 oder mit dem Flansch 149 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 in Kontakt. Die erste Gitterelektrode 145 weist eine Gitternetzstruktur auf, wobei die Gitterfenster eine hexagonale, rechteckige oder eine andere Form aufweisen können. Im Inneren des Randabschnittes 141 nahe dem Endabschnitt 147 oder der ersten Gitterelektrode 145 entstehen im Wesentlichen elektrisch äquipotentielle Bereiche, die zur Ionenspeicherung dienen.
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Wie in 1 gezeigt umfasst das Ionenmobilitätsspektrometer 10 ferner eine zweite Gitterelektrode 15, die von der ersten Gitterelektrode mit einem vorgegebenen Abstand beabstandet ist. Die zweite Gitterelektrode 15 weist eine Gitternetzform auf, wobei die Gitterfenster eine hexagonale, rechteckige oder andere Form aufweisen können.
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Die erste Gitterelektrode 145 und die zweite Gitterelektrode 15 bilden eine Ionenschranke, wobei die zwischen der ersten Gitterelektrode 145 und der zweiten Gitterelektrode 15 angelegte Spannung ein periodisch veränderliches positives oder negatives elektrisches Feld bildet, wobei das positive bzw. negative elektrische Feld den ”geöffneten” bzw. den ”geschlossenen” Zustand der Ionenschranke bildet.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 7 zeigt 7 ein schematisches Diagramm des elektrischen Potentiale der verschiedenen Bauteile in einem Positiv-Ionen-Modus des Ionenmobilitätsspektrometers 10 des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. In 7 stellt die Abszisse P die Position der verschiedenen Bauteile und die Ordinate V das elektrische Potential der verschiedenen Bauteile dar. Das Bezugszeichen 110 bezeichnet das elektrische Potential der zweiten Elektrode 11, das Bezugszeichen 120 das Potenzial der ersten Elektrode 12, das Bezugszeichen 140 das elektrische Potenzial der Fokussier- und Speicherelektrode 14 und der ersten Gitterelektrode 145, das Bezugszeichen 150 das elektrische Potential der zweiten Gitterelektrode 15, das Bezugszeichen 160 das elektrische Potential der Driftelektrode 16, das Bezugszeichen 170 das elektrische Potential des Lochgitters 17, und das Bezugszeichen 180 das elektrische Potential der Faraday-Platte 18.
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Wie in 1 und 7 gezeigt, liegt im Betrieb des Ionenmobilitätsspektrometers 10 das elektrische Potential 110 der zweiten Elektrode 11 in etwa zwischen 700 V bis 3000 V höher als das elektrische Potential 120 der ersten Elektrode 12 (abhängig von dem Radius der Spitze der zweiten Elektrode 11 und der Länge der zweiten Elektrode 11, wobei unterschiedliche geometrische Abmessungen unterschiedliche Korona-Entladungsspannungen aufweisen können), um eine Korona zu bewirken und dadurch Ionen zu erzeugen. Das elektrische Potential 140 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 wechselt periodisch ab. Wenn sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 im niedrigen elektrischen Potential befindet (wie das die durch das Bezugszeichen 140 bezeichnete durchgezogene Linie in 7 zeigt), befindet sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 im Schubzustand. Wenn sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 im hohen elektrischen Niveau befindet (wie das die durch das Bezugszeichen 140 bezeichnete gestrichelte Linie in 7 zeigt), befindet sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 im Speicherzustandszugzustand. Wenn sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 im Speicherzustand befindet, ist das elektrische Potential 140 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 um 60 V bis 150 V niedriger als das elektrische Potential 120 der ersten Elektrode und um 5 V bis 60 V niedriger als das elektrische Potential 150 der zweiten Gitterelektrode 15. Die Ionen, die in die Fokussier- und Speicherelektrode 14 eingetreten sind, erfahren eine relativ schwache elektrische Feldkraft und führen hauptsächlich thermische Bewegungen der Kammer der Fokussier- und Speicherelektrode 14 durch. Nach einer gewissen Zeit, wenn sich die Ionen in der Fokussier- und Speicherelektrode 14 bis zu einer bestimmten Anzahl angesammelt haben, wechselt das elektrische Potential der Fokussier- und Speicherelektrode 14 zum Schubzustand über. Die durch Korona-Entladung bei der ersten Elektrode 12 entstehenden Ionen hören auf, in die Fokussier- und Speicherelektrode 14 einzutreten, um Schwankungen der Ionenanzahl in der Fokussier- und Speicherelektrode 14 aufgrund von Korona-Pulsen zu vermeiden, wobei die Ionen in der Fokussier- und Speicherelektrode 14 unter Wirkung der elektrischen Feldkraft zwischen der Fokussier- und Speicherelektrode 14 und der zweiten Gitterelektrode 15 schnell über die zweite Gitterelektrode 15 in die Driftelektrode 16 eintreten. In der Driftelektrode 16 erreichen die Ionen unter gemeinsamer Wirkung der Zugkraft des elektrischen Feldes und des sich in entgegengesetzter Richtung bewegenden Driftgasflusses einen gleichmäßigen Bewegungszustand. Nach Zurücklegung einer relativ großen Driftstrecke werden Ionen mit unterschiedlichen Mobilitäten aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten voneinander getrennt und werden nach Durchlaufen des Lochgitters 17 von der Faraday-Platte 18 aufgenommen.
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Wie in 1 und 7 gezeigt bilden die Fokussier- und Speicherelektrode 14 und die erste Gitterelektrode 145 der Ionen-Schranke eine Kombinationselektrode, deren elektrisches Potential 140 periodisch abwechselt. Je nach unterschiedlichem elektrischem Potential 140 können sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 und die erste Gitterelektrode 145 der Ionen-Schranke im Speicherzustand und im Schubzustand befinden. Im Speicherzustand (wie das durch das Bezugszeichen 140 in 7 durch die durchgezogene Linie gezeigt ist) ist das elektrische Feld zwischen der Fokussier- und Speicherelektrode 14 bzw. der ersten Gitterelektrode 145 der Ionen-Schranke und der ersten Elektrode 12 gleichgerichtet wie die Bewegung der Ionen. Da der Durchmesser des Endabschnittes 143 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 kleiner ist als der Durchmesser des ersten inneren Kammerabschnittes 530 der ersten Elektrode 12, entsteht dadurch eine elektrische Drift- und Fokussier-Feldzone. Die durch die Korona entstehenden Ionen werden effektiv aus der Korona-Zone herausgezogen und in kleinere Strahlenbündel fokussiert, die in die Fokussier- und Speicherelektrode 14 eintreten. Nachdem die Ionen eine bestimmte Entfernung nach dem Eintritt in die Fokussier- und Speicherelektrode 14 zurückgelegt haben, entstehen zumindest in der Fokussier- und Speicherelektrode 14 nahe der ersten Gitterelektrode 145 der Ionen-Schranke im Wesentlichen elektrisch äquipotentielle Bereiche, da das elektrische Potential der Fokussier- und Speicherelektrode und der ersten Gitterelektrode 145 der Ionen-Schranke gleich und das elektrische Feld im Inneren der Fokussier- und Speicherelektrode 14 relativ schwach ist und zwischen der Fokussier- und Speicherelektrode 14 bzw. der ersten Gitterelektrode 145 und der zweiten Gitterelektrode 15 der Ionen-Schranke schwache entgegengesetzte elektrische Felder angelegt sind. In dieser Zone wirkt kein elektrisches Feld auf die Ionen ein, wobei deren wesentliches Verhalten eine thermische Bewegung ist. Die relativ große Kammer des Endabschnittes 147 der Fokussier- und Speicherelektrode 14 stellt die thermische Bewegung der Ionen sicher, so dass die Ionen nicht gegen die Fokussier- und Speicherelektrode 14 prallen und dadurch verloren gehen. Nachdem sich die thermisch beweglichen Ionen bis zu einer gewissen Menge angesammelt haben, wechselt das elektrische Potential der Fokussier- und Speicherelektrode 14 in den ”Driftzustand” (wie das die durch das Bezugszeichen 140 in 7 angedeutete gestrichelte Linie zeigt). Das elektrische Feld zwischen der Fokussier- und Speicherelektrode 14 und der ersten Elektrode 12 ist deswegen entgegen gerichtet zur Bewegungsrichtung der Ionen, um zu vermeiden, dass die durch Korona entstehenden Ionen in die Fokussier- und Speicherelektrode 14 eintreten. Das elektrische Feld zwischen der Fokussier- und Speicherelektrode 14 bzw. der ersten Gitterelektrode 145 der Ionen-Schranke und der zweiten Gitterelektrode 15 der Ionen-Schranke ist zur Bewegungsrichtung der Ionen gleichgerichtet. Das äquidistant veränderliche elektrische Potential 160 einer Ringelektrode 16 der Driftzone 28 bildet ein elektrisches Zugfeld. Dadurch, dass die Ionen-Schranke ein starkes positives elektrisches Feld ausübt, werden die in der Fokussier- und Speicherelektrode 14 angesammelten Ionen schnell in die Driftzone 28 hineingezogen, so dass sich die Ionen über das Lochgitter 17 mit dem elektrischen Potential 170 zur Faraday-Platte 18 mit dem elektrischen Potential 180 bewegen. Somit wird durch den Ansammlungsprozess der Ionen vor der Ionen-Schranke der Einfluss der Schwankungen der Anzahl aufgrund von Korona-Entladungspulsen entstehender Ionen auf die Mobilitätspektrallinien abgeschwächt, so dass die Mobilitätsspektrallinien unter den Korona-Entladungspulsen im Wesentlichen stabil bleiben können.
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In Bezug auf 1 und 7 kann in der als Korona-Entladungsionenquelle dienenden Korona-Entladungsvorrichtung 50 zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 11 normalerweise eine elektrische Spannung von ca. 700 V bis 3000 V zur Korona-Entladung angelegt werden, d. h. die Differenz zwischen dem elektrischen Potential 110 der zweiten Elektrode 11 und dem elektrischen Potential 120 der ersten Elektrode 12 kann normalerweise ca. 700 V bis 3000 V betragen. Da die zweite Elektrode 11 orthogonal zur Gasflussrichtung A in die erste Elektrode 12 hineinreicht, ist das elektrische Korona-Feld senkrecht zum Gaspfad in der ersten Elektrode 12, so dass die Störungen (insbesondere die pulsartigen Störungen) des elektrischen Feldes der nachfolgenden Bauteile durch das elektrische Korona-Feld abgeschwächt werden. Außerdem werden mehrere zweite Elektroden 11 eingebracht, um die Ionen-Konzentration zu erhöhen, so dass die reduzierte Leistung einer zweiten Elektrode 11 aufgrund von Oxidation zu keiner deutlichen Verminderung der Ionisierungswirkung führt. Der erste Abschnitt 53 der ersten Elektrode 12 kann rohrförmig sein, um eine Endladung zwischen dieser und der zweiten Elektrode 11 zu ermöglichen. Der zweite Abschnitt 55 der ersten Elektrode 12 ist trompetenförmig, damit sich die Fokussier- und Speicherelektrode 14 näher an der Korona-Ionisierungszone befindet und gleichzeitig zwischen dieser und der Fokussier- und Speicherelektrode 14 ein elektrisches Fokussier-Feld entsteht. Die elektrische Potentialdifferenz zwischen der zweiten Elektrode 11 und der ersten Elektrode 12 bleibt in der Nähe der elektrischen Korona-Spannung, um die Energiedichte der Ionisierungszone zu reduzieren und somit das Entstehen von Probenmolekülfragmenten in großer Menge zu vermeiden und ferner die Lebensdauer der zweiten Elektrode 11 zu verlängern.
