DE19627621A1 - Ionenmobilitätsspektrometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Analyse von Verunreinigungen eines Ga­ ses und insbesondere ein Ionenmobilitätsspektrometer zur Durchführung einer entsprechenden Analyse.

Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) wurden in den frühen 70-er Jahren einge­ führt, um organische Dämpfe in Luft zu analysieren und nachzuweisen. Ein Io­ nenmobilitätsspektrometer besteht aus einer Reaktionskammer, um Ionen der zu analysierenden Substanzen zu erzeugen und aus einer Driftkammer, um die Ionen zu separieren. In der Reaktionskammer werden zur Erzeugung der zu analysierenden Ionen üblicherweise radioaktive Materialien verwendet wie z. B. Tritium, ⁶³Ni, ²⁴¹Am usw. Der Nachteil eines solchen IMS ist, daß die Verwen­ dung einer radioaktiven Ionisationsquelle für die Umwelt und die Gesundheit des Wartungspersonals gefährlich sein kann.

In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Versuchen gemacht, IMS- Aufbauten mit nicht-radioaktiven Ionisationsquellen in der Reaktionskammer zu entwerfen wie z. B. Photoemitter zur Erzeugung von Elektronen. Bei diesen Versuchen konnte man jedoch den Kontakt von analysierten Gasmolekülen mit der Quellenoberfläche nicht ausschließen. Dies ist einer der Gründe für Insta­ bilitäten der Detektoranzeigen, da solche Kontakte die Betriebscharakteristik einer nicht-radioaktiven Quelle verändern können.

Vorbekannte IMS bestehen aus einer Reaktionskammer, einer Driftkammer, einer nicht-radioaktiven Elektronenquelle, die in besagter Reaktionskammer eingebaut ist, einer an die Reaktionskammer angeschlossene Zuleitung, um einen Analyten zuzuführen und aus einer Ableitung um den Analyten abzufüh­ ren, sowie aus einer in die Driftkammer eingebauten Fangelektrode (siehe z. B. Begley P., Carbin R., Fougler B.F. Sammonds P.G., J. Chromatogr. 88 (1991) Seite 239).

Der Nachteil dieser vorbekannten IMS ist, daß der Analyt in direkten Kontakt mit der Oberfläche der nicht-radioaktiven Ionisationsquelle kommt, was seiner­ seits die Betriebsbedingungen besagter Ionisationsquelle verändert und einer der Gründe für Instabilitäten der Detektoranzeige sein kann. Ein weiterer Nachteil ist, daß man mit Hilfe einer solchen Ionisationsquelle keine positiven Ionen erhalten kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen IMS-Aufbau zu entwerfen, der den Kontakt des Analyten mit der Ionisationsquelle vermeidet und es gestattet, mit positiven und negativen Ionen zu arbeiten.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Reaktionskammer, einer Driftkammer, einer in die Reaktionskammer ein­ gebauten, nicht-radioaktiven Elektronenquelle, einer Zuleitung um einen Analy­ ten in die Reaktionskammer zuzuführen und einer Ableitung, um den Analyten abzuführen, sowie mit einer in der Driftkammer angebrachten Fangelektrode, wobei die Reaktionskammer durch eine für Elektronen durchlässige und für Gas undurchlässige Trennwand in zwei Teilkammern getrennt ist, wobei die nicht-radioaktive Elektronenquelle in der ersten Teilkammer angebracht ist und die zweite Teilkammer mit den Leitungen für das Zu- und Ableiten von Gas verbunden ist und wobei das Innenvolumen der ersten Teilkammer evakuiert und die Elektronenquelle mit dem negativen Pol einer Beschleunigungsspan­ nungsquelle verbunden ist.

Die Aufgabe wird dadurch vollständig gelöst.

Dadurch, daß die Elektronenquelle in einem separaten, evakuierten Raum un­ tergebracht ist, wird jeder Kontakt des Gases mit ihrer Oberfläche vermieden und es herrschen stets gleiche, kontrollierte Betriebsbedingungen. Anderer­ seits gestattet es die Transparenz der Trennwand für Elektronen, daß diese in die zweite Teilkammer der Reaktionskammer gelangen, die einen Teil des IMS- Gaskreislaufs bildet und wo durch die durch die Trennwand eintretenden Elek­ tronen über Reaktionen mit den Gasmolekülen Molekülionen für positive oder negative Betriebsart des IMS gebildet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Trennwand, die die Reaktionskammer in zwei Teile trennt, aus Glimmer. Dies ist ein beson­ ders geeignetes Material mit einerseits hoher Elektronentransparenz und ande­ rerseits ausreichender Gasdichtigkeit.

Um ein etwaiges Verbiegen der Trennwand aufgrund von Druckunterschieden zu vermeiden, wird es vorzugsweise von einem Metallgitter, z. B. aus Kupfer, gestützt, mit einer geringen Streuung und Absorption von Elektronen.

Vorzugsweise ist die Oberfläche der Trennwand mit einer Schicht eines leitfä­ higen Materials überzogen, die mit dem positiven Pol der Beschleunigungs­ spannungsquelle verbunden ist. Dadurch können die Elektronen auf die Trennwand hin beschleunigt werden und diese anschließend durchdringen.

In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung besteht die nicht-radioaktive Elektronenquelle aus einem Thermoemitter, der von einer Heizspannungsquel­ le versorgt wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die nicht-radioaktive Elek­ tronenquelle eine Photokathode, wobei der Teil der Reaktionskammer mit der Elektronenquelle ein Fenster aus strahlungsdurchlässigem Material aufweist.

Außerhalb der Reaktionskammer ist direkt gegenüber dem Fenster eine Strahlungsquelle, vorzugsweise eine UV-Lampe, angebracht.

Vorzugsweise besteht das Fenstermaterial aus UVvol und die UV-Lampe emit­ tiert im Spektralbereich zwischen 220 nm und 400 nm.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Spektrometers zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen der Elektronenquelle und der Trenn­ wand eine weitere Beschleunigungselektrode vorgesehen ist, die mit der Be­ schleunigungsspannungsquelle verbunden ist.

Die obengenannten Merkmale des vorgeschlagenen Spektrometers vermeiden vollständig jeden Kontakt zwischen dem Analyten und der aktiven Oberfläche der nicht-radioaktiven Elektronenquelle und verbessern dadurch die Meßsta­ bilität des Spektrometers.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Anwendung finden. Die be­ schriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand konkreter Aus­ führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des vorgeschlagenen Spektrometers mit einem Thermoemitter als Elektronenquelle;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des vorgeschlagenen Spektrometers mit einer Photokathode als Elektronenquelle.

Das vorgeschlagene IMS besteht aus einer Reaktionskammer 1 und einer Driftkammer 2. Die Reaktionskammer 1 ist in zwei Teilkammern 3 und 4 unter­ teilt, getrennt durch eine Trennwand 5 aus einem für Elektronen durchlässigen und für Gas undurchlässigen Material, z. B. Glimmer. Das Innenvolumen der Teilkammer 3 der Reaktionskammer 1 ist evakuiert und eine nicht-radioaktive Elektronenquelle 6 ist dort eingebaut. Um jedes Verbiegen aufgrund der Druckdifferenz zwischen den Teilkammern 3 und 4 der Reaktionskammer 1 zu vermeiden, wird die Trennwand 5 durch ein Metallgitter 7 gestützt, das einen geometrischen Transmissionskoeffizienten (Verhältnis zwischen offenen und bedeckten Oberflächen) von mehr als 60% hat. Die Dicke der Trennwand 5 liegt zwischen 3 und 5 Mikrometern. Die der Teilkammer 4 zugewandte Ober­ flache der Trennwand 5 der Reaktionskammer 1 ist von einer Schicht 8 aus leitfähigem Material, z. B. Aluminium, bedeckt. Die Dicke dieser Schicht liegt bei 0,03 bis 0,05 Mikrometer. In einer Ausführungsform des Spektrometers nach Fig. 1 wird ein Thermoemitter 6 in der Form einer Wolframspirale, die an eine Heizspannungsquelle 10 angeschlossen ist, als Elektronenquelle verwendet. Der Thermoemitter 6 ist mit dem negativen Pol einer Beschleunigungsspan­ nungsquelle 11 (20-30 kV) verbunden. Im Innenvolumen der Teilkammer 3 ist eine Elektronenflußmodulator 12 angebracht, der mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle 13 verbunden ist. Das Gehäuse 14 der Teilkammer 3 besteht aus vakuumdichtem Material, z. B. aus Edelstahl oder Glas. Die Teilkammer 4 weist eine Zuleitung 15 zum Zuführen eines Analyten und eine Ableitung 16 auf, um den Analyten wieder abzuführen. Das Innenvolumen der Teilkammer 4 ist vom Innenvolumen der Driftkammer 2 durch ein Schaltgitter 17 getrennt, das mit einer Pulsspannungsquelle 18 verbunden ist. Das Gehäuse der Teilkammer 4 und das Gehäuse der Driftkammer 2 besteht jeweils aus Metallringen 19, die durch Ringe 20 aus isolierendem Material, z. B. aus Keramik, getrennt sind. Die Metallringe 19 sind über einen Spannungsteiler 22 mit einer Hochspannungs- Gleichstromquelle 21 (0,5-3 kV) verbunden. An dem Ende der Driftkammer 2, das der Verbindung der Kammern 1 und 2 gegenüber liegt, ist eine Fangelek­ trode 23 angebracht, die mit einem Elektrometer 24 verbunden ist. Neben der Fangelektrode 23 ist eine Leitung 25 zur Zufuhr von Driftgas angebracht. Die Oberfläche der Trennwand 5 ist von einer Schicht 8 aus leitfähigem Material überzogen, die mit dem positiven Pol einer Hochspannungsquelle 21 verbun­ den ist.

Das Spektrometer dieser Ausführungsform arbeitet folgendermaßen:

Die Spirale des Thermoemitters 6 wird durch einen Strom aus der Heizspan­ nungsquelle 10 beheizt und emittiert Elektronen. Die Quellen 11 und 13 erzeu­ gen eine Potentialdifferenz zwischen dem Thermoemitter 6 und der zusätzli­ chen Beschleunigungselektrode 12, welche ihrerseits die Elektronen im evaku­ ierten Volumen der Teilkammer 3 der Reaktionskammer 1 auf die Trennwand 5 hin beschleunigt, wodurch diese Elektronen genug Energie aufnehmen, um die Trennwand 5 zu durchdringen und in das andere Teilvolumen 4 der Reaktions­ kammer 1 zu gelangen. Im Innenvolumen der anderen Teilkammer 4 wechsel­ wirken die Elektronen mit den Molekülen eines Trägergases und mit den Mole­ külen einer zu analysierenden Substanz, welche im Gasstrom durch die Zufüh­ rungsleitung 15 zugeführt werden. In der Teilkammer 4 werden positive und negative Ionen (einschließlich der Ionen der zu analysierenden Substanzen) als Ergebnis der Ionen-Molekülreaktionen gebildet. Die Hochspannungs- Gleichstromquelle 21 erzeugt ein elektrisches Feld unter dessen Einwirkung sich die Ionen (je nach Polung positive und negative) auf das Schaltgitter 17 zubewegen. Periodische kurze (0,1-5 Millisekunden) Spannungspulse werden dem Schaltgitter 17 von der Quelle 18 aus zugeführt. Diese Pulse erzeugen Ionenpakete, die anschließend in das Innenvolumen der Driftkammer 2 eintre­ ten. Als Folge des Einwirkens eines elektrischen Potentialgradienten, erzeugt durch die Spannung, die von der Hochspannungsquelle 21 über einen Span­ nungsteiler 22 an die Metallringe 19 der Driftkammerröhre 2 gelegt wird, bewe­ gen sich die Ionen im Innenvolumen der Driftkammer 2 gegen ein inertes Drift­ gas auf die Fangelektrode 23 zu. Während sich die Ionen auf die Fangelektro­ de 23 zubewegen, werden sie aufgrund der unterschiedlichen Ionenmobilitäten der verschiedenen Molekülionen getrennt. Beim Auftreffen auf der Fangelek­ trode 23 erzeugen die Ionen einen elektrischen Strom, der durch das Elektro­ meter 24 verstärkt und gemessen wird.

Die Ausführungsform der Fig. 2 unterscheidet sich vom obengenannten IMS dadurch, daß sie eine Photokathode 106 (z. B. eine Multialkali-Kathode) ver­ wendet, die an den negativen Pol einer Beschleunigungsspannungsquelle 113 als nicht-radioaktive Elektronenquelle 106 angeschlossen ist. Im Gehäuse 114 der Teilkammer 103 der Reaktionskammer 101 ist gegenüber der Photokatho­ de 106 ein Fenster 127 angebracht, das aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht. Außerhalb des Gehäuses 114 der Teilkammer 103 ist gegen­ über dem Fenster 127 eine Strahlungsquelle 128 befestigt, die mit einer Span­ nungsquelle 129 verbunden ist.

Die Strahlungsquelle 128 ist eine UV-Lampe, die im Bereich von 220 nm bis 400 nm emittiert. Das Fenster besteht aus UVvol.

Die Strahlung von der Quelle 128 durchdringt das Fenster 127, fällt auf die Photokathode 106 und erzeugt eine Elektronenemission von deren Oberfläche. Die Elektronen werden durch das von der Beschleunigungsspannungsquelle 113 erzeugte elektrischen Feld so sehr beschleunigt, daß sie genug Energie aufnehmen, um durch die Trennwand 105 in das Innenvolumen der Teilkammer 104 der Reaktionskammer 101 zu gelangen, wo sie mit den zu analysierenden Molekülen wechselwirken. Der Rest der Analyse- und Nachweisoperationen in bezug auf die in der Driftkammer 102 separierten Ionen laufen ähnlich zu den in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschriebenen Verfah­ ren ab. Bezugsziffern entsprechender Bauteile sind um 100 gegenüber Fig. 1 erhöht.

Claims (8)

1. Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Reaktionskammer (1; 101), einer Driftkammer (2; 102), einer in die Reaktionskammer (1; 101 eingebau­ ten, nicht-radioaktiven Elektronenquelle (6; 106), einer Zuleitung (15; 115) um einen Analyten in die Reaktionskammer (1; 101) zuzuführen und einer Ableitung (16; 116), um den Analyten abzuführen, sowie mit einer in der Driftkammer (2; 102) angebrachten Fangelektrode (23; 123), dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1; 101) durch eine für Elektronen durchlässige und für Gas undurchlässige Trennwand (5; 105) in zwei Teilkammern (3, 4; 103, 104) getrennt ist, wobei die nicht-radioaktive Elektronenquelle (6; 106) in der ersten Teilkammer (3; 103) angebracht ist und die zweite Teilkammer (4; 104) mit den Leitungen (15, 16; 115, 116) für das Zu- und Ableiten von Gas verbunden ist und wobei das Innenvolumen der ersten Teilkammer (3; 103) evakuiert und die Elektronenquelle (6; 106) mit dem negativen Pol einer Beschleunigungsspannungsquelle (13; 113) verbunden ist.

2. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5; 105) aus Glimmer besteht.

3. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5; 105) durch ein Gitter (7; 107), vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Kupfer, gestützt wird.

4. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5; 105) eine mit ei­ ner Schicht (8; 108) aus leitfähigem Material, vorzugsweise aus Alumini­ um, überzogene Oberfläche aufweist, die mit der dem positiven Pole ei­ ner Beschleunigungsspannungsquelle (21; 121) verbunden ist und die der zweiten Teilkammer (4; 104) zugewandt ist.

5. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-radioaktive Elektronenquel­ le (6) aus einem Thermoemitter (8) besteht, der von einer Heizspan­ nungsquelle (10) versorgt wird.

6. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-radioaktive Elektronenquelle (106) aus einer Photokathode besteht, daß die erste Teilkammer (103) ein strah­ lungsdurchlässiges Fenster (127) aufweist und daß dem Fenster (127) gegenüber außerhalb der Reaktionskammer (101) eine Strahlungsquelle (128) angebracht ist.

7. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Beschleunigungse­ lektrode (12) zwischen der Elektronenquelle (6) und der Trennwand (5) angebracht ist und mit der Beschleunigungsspannungsquelle (13) ver­ bunden ist.

8. Verfahren zu Analyse von Verunreinigungen in Gasen unter Verwen­ dung eines Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Reaktionskammer (1; 101), einer Driftkammer (2; 102), einer in die Reaktionskammer (1; 101) eingebauten, nicht-radioaktiven Elektronenquelle (6; 106), mit einer Zu­ leitung (15; 115), durch die ein Analyt in die Reaktionskammer (1; 101) zugeführt wird und einer Ableitung (16; 116), durch die der Analyt wieder abgeführt wird, sowie mit einer in der Driftkammer (2; 102) angebrachten Fangelektrode (23; 123), mit der ein Ionenstrom detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1; 101) durch eine für Elektronen durchlässige und für Gas undurchlässige Trennwand (5; 105) in zwei Teilkammern (3, 4; 103, 104) getrennt wird, wobei Elektronen mittels der nicht­ radioaktiven Elektronenquelle (6; 106) in der ersten Teilkammer (3; 103) erzeugt werden und Gas mittels Leitungen (15, 16; 115, 116) in die zweite Teilkammer (4; 104) zu- und abgeleitet wird, wobei das Innenvo­ lumen der ersten Teilkammer (3; 103) evakuiert wird und die Elektro­ nenquelle (6; 106) mit dem negativen Pol einer Beschleunigungsspan­ nungsquelle (13; 113) verbunden wird.