DE602005005794T2 - Massenspektrometersystem - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometersysteme und im Besonderen auf ein System, in das eine Massenspektrometervorrichtung eingebaut ist, die mittels MEMS Komponenten gebildet ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein System, das eine Massenspektrometervorrichtung in einem vorbestehenden Vakuum eingebaut hat.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Massenspektrometersysteme sind bekannt und werden bei der Analyse von verschiedenen Materialen verwendet. Miniaturmassenspektrometersysteme sind auch bekannt und haben Anwendungen als feldtragbare Vorrichtungen zur Verwendung bei der Erfassung von biologischen und chemischen Materialen, wie zum Beispiel Kriegsführungsmittel, Drogen, Explosivstoffe und Schmutzstoffe. Sie werden auch in der Weltraumforschung und als Restgasanalysatoren verwendet. Viele Systeme mit verringerter Größe sind entwickelt worden und mikrosystemtechnische Verfahren werden zunehmend in deren Konstruktion verwendet. Massenspektrometervorrichtungen bestehen aus drei Hauptteilsystemen: einer Ionenquelle, einem Ionenfilter und einem Ionenzähler. Es ist auch wichtig, dass die Massenspektrometervorrichtung bei Verwendung in einem Vakuum betrieben wird, um eine exakte Erfassung des erforderlichen Materials zu ermöglichen, sodass ein komplettes System eine Massenspektrometervorrichtung enthält, die in einer Anordnung vorgesehen ist, die den Betrieb der Vorrichtung unter Vakuumbedingungen erlaubt. Bei herkömmlicher Laborausstattung wird ein solches Vakuum mittels Standard-Vakuumtechniken leicht erzeugt. Eine weitere Information zum Herstellen von solchen Systemen kann in GB2384908 gefunden werden, die den Anmeldern der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist.
  • Es ist auch bekannt, Massenspektrometervorrichtungen als tragbare Vorrichtungen vorzusehen. Tatsächlich waren gerade tragbare Vorrichtungen wie zum Beispiel GB2026231 vor der Entwicklung von miniaturisierten Massenspektrometervorrichtungen bekannt. Eine solche Vorrichtung weist ein Netzgerät und einen Handmessfühler auf, wobei der Messfühler eine Gaseintrittsöffnung mit einer durchlässigen Membran umfasst, eine Ionenquelle, die auch als Ionenpumpe wirken kann, einen Quadrupol-Ionenfilter, einen Ionendetektor und ein chemisches Gettermittel zum Bereitstellen eines Vakuums in dem Messfühler. Das Spektrometer ist zum Erfassen von Chemikalien in entfernten Gebieten vorgesehen und erfordert kein herkömmliches Vakuumsystem. Das System verwendet die Ionenquelle, um das für den Betrieb des Massenspektrometers erforderlichen Vakuum zu erzeugen, so dass bei Verwendung als ein Detektor die Ionenquelle als eine Quelle gestaltet ist und während der Neubildung des benötigten Vakuums die Quelle als eine Pumpe gestaltet ist. Solche Modifikationen an dem System, die erforderlich sind, um das für den Betrieb der Massenspektrometervorrichtung erforderliche Vakuum bereitzustellen, sind lästig und komplex.
  • Eine weitere Anordnung ist in US-A-5 155 357 offenbart, die ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitstellt. Eine solche Vorrichtung leidet darunter, dass dabei ein großes Druckgefälle quer über die Membran besteht, die die Vakuumkammer abdichtet. Daher ist es ein Bedürfnis, eine alternative Anordnung oder System zur Herstellung und zum Betreiben einer Massenspektrometervorrichtung in einem Vakuum bereitzustellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit diesen und anderen Problemen wird sich gemäß der Lehre der Erfindung durch ein System gemäß Anspruch 1 befasst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen vorgesehen.
  • In der normal geschlossenen Position des Ventils ist der Druck in der evakuierten Kammer geringer als 13,3 mPa (10–4 Torr), typischerweise geringer als 133 μPa (10–6 Torr) und vorzugsweise etwa 1,33 μPa (10–8 Torr).
  • Wenn mit einer Pumpe versehen, wird der Druck in der zweiten Kammer wünschenswerterweise auf etwa 13,3 Pa (10–1 Torr) reduziert.
  • Die Erfindung stellt auch ein System, im Wesentlichen wie nachfolgend mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, bereit.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Massenspektrometervorrichtung ist,
  • 2 eine Detailansicht einer Anordnung zum Zerbrechen der Vakuumdichtung der Vorrichtung von 1 ist,
  • 3 eine schematische Darstellung ist, die die Einfügung der Vorrichtung von 1 in eine externe Anschlussanordnung zeigt, die dazu ausgelegt ist, externe betriebsbedingte Bedingungen mit einem Druck bereitzustellen, der geringer als der umgebende atmosphärische Druck ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben werden.
  • 1 ist eine schematische Anordnung eines Massenspektrometersystems 100. Die Vorrichtung 100 weist eine Vakuumkammer 105 auf, in der eine Massenspektrometervorrichtung 110 angebracht ist. Obwohl in dieser schematischen Darstellung nicht gezeigt, weist die Vorrichtung 110 eine Ionenquelle und einen Ionendetektor auf. Die Massenspektrometervorrichtung ist typischerweise an einem Ende der Kammer angebracht, an einem von einer Eingangsöffnung 150 der Kammer entfernten Ende. Die Vorrichtung 110 ist Wünschenswerterweise unter Verwendung von MEMS Technologie gebildet und ist auf einer PCB-Leiterplatte angebracht. In den meisten Anwendungen kommt es vor, dass die Verwendung von keramikbasierten PCB-Materialen bessere Ergebnisse liefert, da das keramische Material während der Verwendung des Systems nicht entgast. Ein Druckfühler kann auch auf der PCB-Leiterplatte angebracht sein, obwohl er in dieser schematischen Darstellung auch nicht explizit gezeigt ist. Ein Druckfühler kann, wenn er eingebaut ist, verwendet werden, um den Druck innerhalb der Kammer zu Informationszwecken aber auch als ein Kontrollsystem zu überwachen. Wenn der Druck innerhalb der Kammer einen bestimmten Minimalpegel übersteigt, ist der Betrieb des Systems nicht zufriedenstellend und es ist daher manchmal wichtig, einen Indikator zu haben, um, wenn dies eintritt, die Betriebsparameter zu ändern.
  • Zum Betreiben eines Massenspektrometers müssen sich die Ionen unter der Einwirkung von magnetischen oder elektrischen Feldern ohne häufige Kollisionen mit anderen Ionen oder Molekülen bewegen. Das bedeutet, dass ein Druck von typischerweise weniger als 13,3 mPa (10–4 Torr) aufrechterhalten werden muss. Als normal wird 133 μPa (1 × 10–6 Torr) betrachtet, obwohl mit der Verwendung von MEMS Quadrupol-Massenspektrometer-Vorrichtungen mit ihren geringeren Abmessungen höher Drücke verwendet werden können.
  • Ein Gettermaterial wie zum Beispiel Caesium kann innerhalb der Kammer in Form eines Stückes 115 oder zum Beispiel als eine interne Beschichtung vorgesehen werden, die an den Innenwänden der Kammer gebildet ist, wobei die Wahl des Gettermaterials ausgewählt wird, um geeignete Gase während Speicherung und Betrieb des Systems zu absorbieren. Die Art des Gettermaterials wird typischerweise für die bestimmte Anwendung ausgewählt, mit welcher das Massenspektrometersystem verwendet werden wird, wie es für Fachleute selbstverständlich ist.
  • An einem Ende der Kammer, die von der positionierten Massenspektrometervorrichtung 110 entfernt ist, ist eine permeable Membran 120 gebildet. Die Membran ist quer über den gesamten Innendurchmesser der Kammer vorgesehen und ist dazu ausgelegt, eine langsame Auflösung der Vakuumbedingungen zu ermöglichen, innerhalb welchen die Vorrichtung 110 angeordnet ist. Die Membran ist zwischen der Spektrometervorrichtung und der Eingangsöffnung vorgesehen.
  • Das System ist normalerweise mit einer zerbrechbaren Dichtung so versehen, dass die Vakuumbedingungen innerhalb der Kammer aufrechterhalten werden, wenn sie gedichtet ist, und dass sich das Vakuum langsam auflöst, bis der Druck innerhalb der Kammer der Gleiche wie der Druck außerhalb der Kammer ist, wenn sie zerbrochen wird. Eine solche zerbrechbare Dichtung kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Arten gebildet sein, wie zum Beispiel ein zerbrechbares Glaselement 125, das auf dem Unterstützungsring 130 gedichtet und angebracht ist. Bei Verwendung kann das Glas zerbrochen werden und die Membran 120 ist dann dem Umgebungsdruck außerhalb der Kammer ausgesetzt und Gase werden auf Grund des Druckunterschiedes zwischen den zwei Seiten der Membran durch die Membran dringen, wobei sie auf die Spektrometervorrichtung einwirken und auch zu einer resultierenden Erhöhung des Druckes innerhalb der Kammer führen. Die Dichtung ist aus einem Ventil oder einigen anderen Dicht- oder Verschlusseinrichtungen gebildet, und ist in einer normal verschlossenen Position so bereitgestellt, dass die evakuierten Bedingungen innerhalb der Kammer aufrechterhalten werden. Einmal geöffnet, kann Probenmaterial in die Kammer eindringen, wobei sich der Druck innerhalb der Kammer erhöht. Die Dichtung ist zwischen der Membran und der Eingangsöffnung vorgesehen.
  • Eine oder mehrere Verbindungen oder Netzanschlüsse 135 sind durch die Wände der Vakuumkammer vorgesehen, um die erforderliche Energie an die Massenspektrometervorrichtung bereitzustellen. Die meisten der Anschlüsse werden zum Verbinden von Niedrig-Gleichstrom- oder HF-Komponenten der Massenspektrometervorrichtung verwendet, jedoch benötigen andere Komponenten wie zum Beispiel der Detektor für den Betrieb Spannungen in der Größenordnung von einigen Tausend Volt. Die Verbindung durch die Kammer ist derart, dass die hermetisch abgedichteten Bedingungen der Kammer aufrecht gehalten werden. Solche Techniken sind Fachleuten in der Herstellung von Vakuumbehältern oder Kammern oder hermetisch abgedichteten Packungen, wie auf dem Gebiet der Optoelektronik vorkommend, bekannt.
  • Es ist selbstverständlich, dass die Vakuumbedingungen, die innerhalb der Kammer der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, in Folge eines Bruches der Dichtung am Ende der Kammer zerstört werden können. Zur Verwendung der Vorrichtung muss ein Weg für das Gas vorhanden sein, um den Druckbehälter zu durchdringen, und offensichtlich wird eine feste Metallwand dies nicht erlauben. Eine Möglichkeit sind Ventile, die geöffnet werden können, wenn die Vorrichtung verwendet wird. Es gibt eine Zahl von Ventilgestaltungen, die von Balgen, Diaphragmas, Öffnung und Kugel reichen. Die Ventile für Vakuumsysteme neigen jedoch dazu, groß zu sein und es ist schwierig, Größen bereitzustellen, die für die Vorrichtung geeignet sind. Während ein Spezialventil gestaltet werden kann, ist es unwahrscheinlich, dass dies eine zufriedenstellende Lösung ist, ebenso ist ein großer Ventilverschlußbereich für eine geringe Undichtigkeit erforderlich, und damit leidet ein kleines Ventil voraussichtlich an hohen Leckraten. Eine andere Idee wäre, ein Einlassrohr zu haben, welches während in Speicherung „blockiert" ist und, wenn es benötigt wird, „freigegeben" wird. Ein gebräuchliches Verfahren zum Blockieren von Behältern mit Vakuum ist, einen Glasbehälter zusammen zu schmelzen. Dies wird üblicherweise mit CRT's gemacht. Um die Dichtung freizugeben, könnte das Glas geschmolzen werden, dies würde aber für kommerzielle Verwendung nicht wünschenswert sein und die hohe Temperatur, die nötig ist, um das Glas zu schmelzen, wenn es nicht vor Ort gemacht wird, könnte für die Vorrichtung und ihren Druckbehälter nachteilig sein. Eine ähnliche Idee wäre, ein Lötmittel zu verwenden, welches zum Entfernen des Blockes geschmolzen werden könnte, aber das Erhitzen und Entfernen des Lötmittels würde wieder vorsichtig vorzunehmen sein. Eine letzte Idee wäre, eine „Weichstelle" wie zum Beispiel ein dünnes oder unterschiedliches Material in dem Druckbehälter zu haben, das durchstoßen werden könnte. Die Verwendung eines dünnen Abschnittes von Stahl, welches durchstoßen werden könnte, ist möglich, um es jedoch einfach durchstossbar zu machen, müsste die Wand im Wesentlichen dünn (abhängig vom Bereich des Durchstossens) sein. Eine dicke Wand würde eine Menge an Kraft benötigen, und ein großer Bereich würde vor dem Brechen in erheblicher Verformung resultieren. Eine Alternative ist, ein spröderes Material zum Durchstossen zu verwenden.
  • Eine weitere bevorzugte Technik, die vorher in der Diskussion von 1 genannt wurde und die jetzt mit Bezug zu 2 beschrieben wird, ist eine Glaswand 125 zu verwenden, die innerhalb der Kammer angebracht ist und die zerbrochen werden kann. Sogar beim Zerbrechen des Glases wird ermöglicht, dass ausreichend Gas in den Druckbehälter hinein durchläuft. Der Glasabschnitt kann so gestaltet sein, dass ein spitzer Schlag ihn zerbrechen kann. Ein mögliches Verfahren würde ein Metalldorn 205 sein, der auf die Oberfläche herunter gebracht werden könnte. Während Nichtverwendung des Systems würde der Dorn 205 durch eine Kappe 210 abgedeckt sein, um sicherzustellen, dass der Dorn nicht aus Versehen in Berührung mit dem Glas kommt, wobei aus Versehen das Vakuum zerbrochen wird.
  • Ausgewähltes Material
  • Es ist selbstverständlich, dass die Wahl des Materials, welches in der Anordnung der Vakuumkammer 105 verwendet wird, sehr wichtig ist. Das Material muss geeignet sein, dem durch das Vakuum aufgezwungenen Druck zu widerstehen, und darf seinem Erhalt nicht abträglich sein. Ein geeignetes Material ist rostfreier Stahl. Die rostfreien Stahlsorten 304 und 316 werden empfohlen, da beide hervorragende Korrosionsbeständigkeit in einem weiten Bereich von Bedingungen haben. Beide sind gegen organische Chemikalien und eine breite Vielfalt von anorganischen Chemikalien resistent, und können leicht gereinigt werden. Beide Sorten haben eine sehr geringe magnetische Permeabilität und können leicht geschweisst werden. Die Sorte 316 ist, verglichen mit 304, in warmen Chloridumgebungen resistenter gegen Loch- und Spaltkorrosion und wird oft für aggressivere Umgebungen ausgewählt, wie zum Beispiel Küstengebäude und Beschläge an Kais und Piers.
  • Das System der vorliegenden Erfindung ist dazu eingerichtet, als eine betriebsfertige Baugruppe verfügbar zu sein, die zur Verwendung wie erforderlich gelagert werden kann. Um brauchbar zu sein, sollte die Haltbarkeit angemessen sein, die durch die Zeit bestimmt wird, welche zum Beeinträchtigen des internen Vakuums genommen wird, so dass die Vorrichtung nicht betrieben (oder nicht lang genug betrieben) werden kann. Eine Beurteilung der möglichen Ursachen der Vakuumbeeinträchtigung und deren Wichtigkeit ist unten detailliert beschrieben.
  • Die Gasquellen in einem geschlossenen Vakuumsystem sind: Desorption, Verdampfung, Diffusion/Permeation und Undichtigkeiten. Undichtigkeiten können in zwei Arten von Undichtigkeit, fiktive und echte, eingeordnet werden. Fiktive Undichtigkeiten treten auf, wenn Luft so eingeschlossen ist, dass sie zwischen 2 Schweißstellen oder in einer unbelüfteten Schraube ist. Echte Undichtigkeiten sind tatsächliche Wege von der Atmosphäre zum Vakuum. Verdampfung resultiert von den Komponenten im Vakuum, die im Vakuum verdampfen. Desorption ist vom Material, der Behandlung, Temperatur und Einwirkungszeit abhängig, und ist hauptsächlich das Ergebnis der Entwicklung von Gasen, die im Festkörper gelöst sind, oder des Abbaus von Oberflächenschichten. Es ist eine Funktion der molekularen Bindungsenergie, Temperatur der Oberfläche und der Zahl von Einzelschichten, die auf der Oberfläche gebildet sind.
  • Diffusion oder Permeation resultiert aus dem Durchgang von Gas von der Atmosphäre durch das Material der Vakuumwand und in die Vakuumkammer, und kann als ein 3-Schritt Prozess betrachtet werden:
    • 1. Das Gas absorbiert an der Außenwand der Vakuumkammer.
    • 2. Das Gas diffundiert durch die Kammerwand.
    • 3. Das Gas desorbiert von der Innenseite der Vakuumwand.
  • Der Bestimmungsschritt für die Übertragung von Gas (zumindest bei Metallen) ist die Diffusion durch den Festkörper.
  • Betrachtet man eine aus Stahl hergestellte Vakuumkammer, so kann, wenn man annimmt, dass der Druckbehälter in einem beständigen Zustand ist, gut hergestellt ist, und der Druckbehälter auch für eine ausreichende Zeit ausgegast wurde, man annehmen, dass echte und fiktive Undichtigkeiten unberücksichtigt bleiben können. Fiktive Undichtigkeiten werden vermieden oder hatten Zeit, im Vakuum vernachlässigbar zu werden. Echte Undichtigkeiten werden nicht berücksichtigt. Die Verdampfung kann vernachlässigt werden, da der Dampfdruck von Stahl extrem niedrig ist, deutlich unter den Druckbereichen, die für die Vorrichtung geprüft wurden. Desorption von Oberflächenschichten oder eingefangene Gase sind vernachlässigbar, da es durch das Vakuum-Ausheizen sichergestellt wird. Betrachtet man nur den Permeationsgasweg und verwendet Richardson's Gleichungen, kann gezeigt werden, dass in einer idealen Druckbehälterkammer, die reine Stahlwände und vernachlässigbare andere Quellen von Undichtigkeiten hat, die Druckerhöhung nach einem Jahr, verglichen mit dem notwendigen Systemdruck von 1,33 × 10–6 Pa (10–8 Torr), vernachlässigbar ist, und würde eine Haltbarkeit von etwa 10 Jahren ergeben. Obwohl rostfreier Stahl ein bevorzugtes Material ist, ist es selbstverständlich, dass es beispielhaft für die Art des Materials ist, das in der Herstellung von solchen Kammern verwendet werden kann, und es ist nicht beabsichtigt, die Herstellung der Kammer des Systems der vorliegenden Erfindung auf irgendeine Art von Material zu beschränken.
  • Membranmaterial
  • Für den Betrieb der Spektrometervorrichtung der vorliegenden Erfindung muss eine Zuführung einer Gasprobe ohne Verursachen von einer zu hohen Undichtigkeitsrate verfügbar gemacht werden, die das Betreiben der Vorrichtung anhält. MIMS (Membran-Einlass-Massenspektrometrie) verwendet eine Membran, um die Gasquelle von der Vakuumkammer zu trennen, die dem Gas erlaubt, langsam durch sie hindurchzudringen. Das gebräuchlichste Membranmaterial ist PDMS (Polydimethylsiloxan), welches zum Messen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC's) besonders verwendbar ist, da das PDMS eine bevorzugte Neigung für diese Moleküle verglichen mit anderen hat, wie Sauerstoff und Stickstoff. Dies hat den Vorteil, dass das Gasgemisch angereichert ist, das hindurchdringt, wobei die Erfassung von Verbindungen gefördert wird, die andererseits nicht erfassbar sein würden. Polysiloxane sind über viele Jahre umfassend studiert worden und umfassen an Sauerstoff gebundene Siliziumatome. Silikone sind Zwischenglieder zwischen organischen und anorganischen Verbindungen, speziell zwischen Silikaten und organischen Polymeren. Die Verbindung ist sehr stabil – zum Beispiel tritt Verdampfung von PDMS bei ± 350°C auf. Die plötzliche Druckerhöhung durch Erlauben, dass Gase in den Innenbereich des Vakuumbehälters hindurchdringen, muss durch die Membran aushaltbar sein. Dies kann eine Unterstützung für die Membran erfordern, um Verformung oder dazugehörige Probleme zu vermeiden.
  • Leider ist auch das Messen von polaren Verbindungen mit Polydimethylsiloxan beschränkt, da die Membran hydrophob ist und polare Verbindungen bei Zimmertemperatur nicht leicht durch sie diffundieren. Eine unlängst eingeführte Technik – die Desorption chemische Ionisierungs-MIMS – vereinigt die chemische Transport-Membran-Einlass-Massenspektrometrie (CT-MIMS) und die chemische Ionisation (Cl), die es möglicht macht, Verbindungen mit hohen Siedepunkten zu erfassen, zum Beispiel Säuren und andere Verbindungen. Es ist selbstverständlich, dass die Wahl des Materials, das zur Bildung der Membran verwendet wird, für bestimmte Anwendungen der Massenspektrometervorrichtung ausgewählt werden kann. Es wird verstanden, dass dabei bestimmte Materialien zur Erfassung von polaren Verbindungen und andere zur Identifizierung von Säuren etc. verwendet werden können. Die Bereitstellung der Membran kann auch in einem oder mehreren Feldern oder alternativen Kombinationen sein.
  • Obwohl das für die Membran ausgewählte Material spezifisch ausgewählt wird, um eine langsame Durchsickerung von Material in die Vakuumkammer mit einem resultierenden langsamen Zusammenbruch der Vakuumbedingungen zu erlauben, ist es selbstverständlich, dass es auf Grund des hohen Druckgradienten quer über die Membran möglich ist, dass die Zeit zwischen dem Zerbrechen der Dichtung und dem Verlust des Druckgradienten quer über die Membran auf eine Zeit von einer solch kurzen Spanne reduziert werden kann, dass es zu Analysezwecken nicht praktikabel ist. Der Effekt der Membrandicke ist erforscht worden. Obwohl eine dickere Membran einfacher in der Kammer anzubringen ist und in geringeren Durchsickerungszeiten resultiert, werden nicht-lineare Effekte eingeführt. Eine dicke Membran wird auch die Antwortzeit des Systems reduzieren, sowie es schwierig machen, VOC's und Verbindungen mit hohen Siedepunkttemperaturen (wie zum Beispiel viele Säuren) zu erfassen. Dies kann jedoch für die Erfassung von VOC's akzeptabel sein. Um eine dünnere Membran bereitzustellen, die einfach in der Kammer montierbar ist, ist es möglich, einige PDMS-Materialien als eine flüssige auf eine halbdurchlässige Oberfläche zu legen und sie auf dieser Oberfläche zu polymerisieren. Geeignete halbdurchlässige Oberflächen schließen Silizium und Metallgitter ein. Das unterstützende Substrat kann dann direkt an einer Innenwand der Kammer angebracht werden.
  • Ändern der Fliessraten durch die Membran
  • Um den Fluss durch die Membran ohne Aufgabe des Bereiches zu reduzieren, könnte die Membrandicke erhöht werden oder alternativ könnte der einseitige Druckunterschied (Δp) quer über die Membran reduziert werden. Der einseitige Druckunterschied Δp = p2 – p1, wobei p2 der Druck ausserhalb der Vakuumkammer ist und p1 der Druck in der Kammer ist, ist Δp im Wesentlichen zu p2 äquivalent, solange p2 >> p1 ist. Es ist selbstverständlich, dass sich, wenn der Druckunterschied reduziert wird, die Betriebszeit der Vorrichtung erhöht. Bei atmosphärischem Druck gilt dies, wobei p2 101,3 kPa (760 Torr) ist, während p1 etwa 13,3 mPa (10–4 Torr) ist. Wenn die Hochdruckseite auf 133 Pa (1 Torr) herunter reduziert wurde, ist p2 (1 Torr) noch weit größer als 13,3 mPa (10–4 Torr), somit gilt die Gleichheit. Auf Grund der Proportionalität von Druck und Durchflussrate, würde sich die Zeit, die für das Ansteigen des Druckes für eine gegebene Membran benötigt wird, durch Reduzieren des Druckes auf 133 Pa (1 Torr) 760fach erhöhen. Es ist relativ einfach und erfordert im Vergleich zum hohen Vakuum nicht viel Hardware, um den Druck auf 132 Pa (1 Torr) zu reduzieren – welches nur ein grobes Vakuum ist. Daher ist es selbstverständlich, dass es eher als das Erhöhen der Dimensionen der Membran möglich ist, die Betriebszeit des Systems durch Reduzieren des Druckgradienten quer über die Membran zu erhöhen. 3 zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine solche Reduzierung des Druckgradienten vorsieht.
  • In der Ausführungsform der 3 ist das System aus 1 in einem abgedichteten Behälter 300 mit einem Einlass- 305 und einem Auslassrohr 310 oder Öffnung angebracht. Dieser abgedichtete Behälter 300 bildet eine zweite Kammer des Systems, wobei die Erste die evakuierte Kammer ist, in die das Massenspektrometer eingebaut ist. Das Einlassrohr ist dazu ausgelegt, es einer Materialprobe zu ermöglichen, von außerhalb des Behälters 300 so an das System eingeführt zu werden, dass das einzelne Material geprüft werden kann. Die Rohre sind wünschenswerterweise aus einem PTFE-Material oder einigen anderen gleichwertigen gebildet. Eine Pumpe 315 ist vorgesehen, um den Druck in dem Behälter zu reduzieren, und ist wünschenswerterweise an der Auslassöffnung 310 vorgesehen. Geeignet ist die ausgewählte Pumpe von der Art, die als eine Grobpumpe bekannt ist. Solche Pumpen sind als Trocken- und Feuchtabarten verfügbar und es ist auf Grund der Anwendung im Kontext der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die Pumpe eine Trockenpumpe ist, so dass der Betrieb der Pumpe nicht die Luftqualität beeinflusst, wobei die Genauigkeit des Ergebnisses des Systems vermindert wird. Wenn ein Druckwandler in der Vakuumkammer enthalten ist, kann der Druckwandler verwendet werden, um den Druck zu überwachen und eine Aktivierung der Pumpe in der zweiten Kammer zu bewirken.
  • In Versuchen ist gezeigt worden, dass der Betrieb des Systems ohne eine Reduzierung des Außendruckes eine Dauer von etwa 10 Minuten hat, wohingegen, wenn der Druck reduziert wird, diese Zeit auf 30 Minuten oder mehr verlängert werden kann. Zu jeder Zeit während des Betriebes reduziert sich der Druck in der Kammer, wobei die Effizienz des Betriebes der Spektrometervorrichtung reduziert wird. Die Vorrichtung ist jedoch wünschenswerterweise dazu ausgelegt, mehrfaches Abtasten der Probe durchzuführen, so dass eine Zeit-Durchführungs-Beziehung analysiert werden kann.
  • Sobald der Innendruck der Vakuumkammer so ist, dass wenig oder kein Druckgradient quer über die Membran vorhanden ist, dann ist die Verwendbarkeit des Systems dahin. Das System kann dann durch einen Aufbereitungsprozess wieder aufbereitet werden. Ein solcher Prozess würde die Reinigung aller Materialen, die die Vorrichtung bilden, und Erneuerung eines abgedichteten Vakuums innerhalb der Kammer beinhalten. Die Bildung der Vakuumbedingungen wird typischerweise durch Aufbauen des Systems in einer Umgebung mit geringem Druck bereitgestellt und die Vakuumkammer wird vor der Entnahme aus dieser Umgebung mit geringem Druck abgedichtet. Dieses Reinraumaufbau gewährleistet, dass die Genauigkeit der Proben erhöht wird, die durch das Spektrometer erfasst werden.
  • Wenn ein System gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut wird, erfolgt es wünschenswerterweise in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Schritten. Eine MEMS-Spektrometervorrichtung wird in Übereinstimmung mit bekannten Techniken gebildet und auf einer PCB-Platine angebracht. Die Platine wird dann unter Vakuumbedingungen in eine Stahlkammer eingeführt, die eine offene Eingangsöffnung an einem Ende hat. Die PCB-Platine wird an einem Ende der Kammer angebracht, welches der offenen Öffnung gegenüberliegend ist. Ein Gettermaterial wird dann zu der Kammer eingeführt. Die Membran wird dann quer über den Innendurchmesser der Kammer angebracht. Die offene Öffnung wird durch Bereitstellen einer entfernbaren oder zerbrechbaren Dichtung oder eines Ventils an dem Ende der Kammer abgedichtet. Ist die Kammer einmal abgedichtet, kann sie dann aus den Vakuumbedingungen entfernt werden.
  • Die Wörter umfasst/umfassend sollen, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet wurden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Zahlen, Schritten oder Komponenten festlegen, aber nicht, das Vorhandensein oder Hinzufügen von ein oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Komponenten oder Gruppen davon ausschließen.

Claims (12)

  1. Massenspektrometersystem (100), umfassend eine erste evakuierte Kammer, die eine Massenspektrometervorrichtung (110) enthält, welche innerhalb der evakuierten Kammer (105) vorgesehen ist, wobei die erste Kammer eine Eingangsöffnung (150) aufweist, durch welche eine Probe in die erste Kammer hinein und in Kontakt mit der Massenspektrometervorrichtung zugeführt werden kann, wobei das System zusätzlich eine permeable Membran (120) umfasst, die quer über die erste Kammer zwischen der Öffnung und der Spektrometervorrichtung angeordnet ist, sowie ein Ventil (125), welches zwischen der Membran und der Eingangsöffnung angeordnet ist und einen normalerweise geschlossenen Zustand sowie einen offenen Zustand hat, derart, dass im Gebrauch die Einstellung des offenen Zustands ermöglicht, dass die Probe durch die Membran (120) hindurch in die erste Kammer (105) hinein und in Kontakt mit der Spektrometervorrichtung (110) strömt, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine zweite evakuierte Kammer (300) umfasst, wobei die erste evakuierte Kammer (105) innerhalb der zweiten evakuierten Kammer (300) angeordnet ist, wobei der Druck innerhalb der ersten evakuierten Kammer niedriger ist als jener der zweiten evakuierten Kammer.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Spektrometervorrichtung aus einer MEMS-Vorrichtung gebildet ist.
  3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil aus einem zerreißbaren Diaphragma gebildet ist, welches die erste evakuierte Kammer abdichtet, wobei das Zerreißen des Diaphragmas die Abdichtung bricht und das Einströmen der Probe in die Kammer hinein ermöglicht.
  4. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ventil aus einem zerbrechbaren Glaselement und einem Akuator gebildet ist, wobei das Glaselement quer über die Kammer angeordnet ist und die Kammer abdichtet, und wobei im Gebrauch der Akuator dazu ausgelegt ist, in Kontakt mit dem Glaselement zu gelangen, wodurch das Element und folglich die Abdichtung zerbrochen wird.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran aus Polydimethylsiloxan-Material gebildet ist.
  6. System nach Anspruch 5, wobei das Polydimethylsiloxan-Material als eine flüssige Schicht auf einem Substrat gebildet ist, wobei eine Polymerisierung des Materials auf dem Substrat die Membran bildet.
  7. System nach Anspruch 6, wobei das Substrat eine Metallnetzstruktur ist.
  8. System nach Anspruch 6, wobei das Substrat ein silikonbasiertes Substrat ist.
  9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Kammer ein Einlassrohr (305) und ein Auslassrohr (310) umfasst, wobei das Einlassrohr dazu ausgelegt ist, ein Einführen einer Probe von außerhalb der zweiten Kammer in Kontakt mit der Spektrometervorrichtung zu ermöglichen, die innerhalb der ersten Kammer angeordnet ist, wobei das Auslassrohr dazu ausgelegt ist, ein Ablassen von Gas aus der zweiten Kammer zu ermöglichen.
  10. System nach Anspruch 9, wobei eine Pumpe (315) am Auslassrohr vorgesehen ist, wobei die Pumpe dazu ausgelegt ist, eine Verringerung des Drucks der zweiten Kammer zu bewirken.
  11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der normalerweise geschlossenen Position der Druck innerhalb der ersten evakuierten Kammer geringer ist als 13,3 mPa (10–4 Torr).
  12. System nach Anspruch 11, wobei der Druck innerhalb der zweiten Kammer verringert ist auf ungefähr 13,3 Pa (10–1 Torr).
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