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Ionenbeweglichkeitsdetektoren werden verwendet, um das Vorhandensein von
Materialien in einer Umgebung, beispielsweise von Verunreinigung in der
atmosphärischen Luft, festzustellen. Es wird eine Bibliothek der bekannten
möglichen Verunreinigungen angelegt, und daraufhin werden die für diese bekannten
Meßwerte mit den Resultaten von einer unbekannten Spezies verglichen, um zu
bestimmen, ob eine Probe eine Verunreinigung enthält und, falls dem so ist, ob diese
bereits festgestellt wurde. Eine Messung der Konzentration oder eine Anzeige der
Konzentration können ebenso erfolgen wie eine qualitative Feststellung der Spezies.
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Herkömmliche, im Stand der Technik bekannte
Ionenbeweglichkeitsdetektoren verfügen über eine Ionisationsquelle, einen
Ionenreaktionsbereich, einen Ionendriftbereich, beispielsweise in Form eines Rohres,
einen Ioneninjektionsverschluß oder -gitter, welche zwischen dem
Ionenreaktionsbereich und dem Ionendriftbereich angeordnet sind, und einen
Ionendetektor. Die Systeme werden bei Atmosphärendruck betrieben, bei dem die
mittlere freie Weglänge der enthaltenen Gasmoleküle im Driftbereich eine kleine
Fraktion der Abmessungen des Behälters ausmacht. Ein Trägergas, für gewöhnlich
gereinigte, atmosphärische Luft (insbesondere gereinigt, um Wasserdampf zu
entfernen, welcher die Feststellung bestimmter Arten geladener Spezies zu stören
vermag), wird in den Ionenbeweglichkeitsdetektor mit einem Probengas oder -dampf
jenes Materials eingebracht, dessen Identität durch Kennzeichnung seiner
Ionenbeweglickeitseigenschaften festgestellt werden soll. Das Trägergas, welches die
Probe enthält, wird durch einen Einlaß eingebracht, um der Ionisationsquelle
ausgesetzt zu werden.
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Dies bewirkt, daß Teile sowohl des Trägergases als auch der Probe direkt an
der Ionisationsquelle ionisiert werden. Die Moleküle des Trägergases liegen in weit
größerer Anzahl vor als die Probe, und demnach werden mehr von diesen ionisiert.
Das gasförmige Gemisch befindet sich zu diesem Zeitpunkt innerhalb des
Reaktionsbereichs, und da die mittlere freie Weglänge viele Male kleiner ist als die
Abmessungen des Reaktionsbereichs, treten mehrfache Kollisionen zwischen den
Molekülen des Trägergases und des(der) Probengas(e) auf, weshalb die Ionenladung
infolgedessen dazu neigt, durch diese Kollisionen von den Trägermolekülen auf die
Probenmoleküle übertragen zu werden, was somit zu einem
Sekundärionisationsprozeß führt, bei welchem eine erhöhte Anzahl von Molekülen
der Probe ionisiert werden. Der Reaktionsbereich wird für gewöhnlich derart
angeordnet, daß er unter dem Einfluß eines Potentialgradienten steht, welcher das
geladene Gemisch zum Ioneninjektionsgitter hinbewegt, welches elektrisch geladen
ist, um den Transfer von Ionen vom Reaktionsbereich zum Driftbereich zu
verhindern, das jedoch entregt werden kann, um einen Ionenimpuls in den
Driftbereich durchtreten zu lassen. Demzufolge wird das Gitter periodisch kurzzeitig
entregt, und eine Anzahl Ionen werden in den Driftbereich eingebracht. Diese
Periode wird Zykluszeit genannt und kann verändert werden. Der Driftbereich wird
derart angeordnet, daß er sich unter dem Einfluß eines elektrostatischen Driftfeldes
oder Potentialgradienten befindet, welche derart wirken, daß sie Ionen im
Drifibereich das Rohr hinunter, vom Ioneneinspritzgitter weg, hin zu einer
Detektorelektrode bewegen, welche die Ladung von den Ionen erfaßt und am Ende
des Driftbereiches angeordnet ist. Die Ankunftszeit jedes lons am Detektorgitter
relativ zum Zeitpunkt, zu dem das Ioneneinspritzgitter geöffnet wurde, wird durch
die Beweglichkeit des lons im Trägergas, welches den Driftbereich ausfüllt,
bestimmt. Schwerere Ionen bewegen sich langsamer durch den Driftbereich und
benötigen mehr Zeit, um beim Detektor anzukommen, als leichtere Ionen. Die
Geschwindigkeiten von Ionen mit derselben Beweglichkeit werden infolge von
Diffusionswirkungen leicht modifiziert; wenn sie an der Detektorelektrode
ankommen, werden sie in einer Fehlerfunktion gestreut, deren Spitzenwert es
ermöglicht, die Zeit, die zwischen dem Öffnen des Gitters und dem Eintreffen der
Gruppe am Detektor verstreicht, festzustellen. Dies kann verwendet werden, um die
Ionen zu kennzeichnen.
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Allerdings werden manche Moleküle, die festgestellt werden sollen, derart
ionisiert, daß sie positive Spezies bilden, und andere derart, daß sie negative Spezies
bilden, und manche bilden beide Spezies. Es wäre großartig, wenn eine Bestimmung
beider Spezies gleichzeitig in bezug auf dieselbe Probe erreicht werden könnte.
Demnach wird beim Verwenden einer einzigen herkömmlichen Vorrichtung eine
Verzögerung beim Schalten von positiven zu negativen Betriebsbedingungen
vorgesehen, und die Messungen werden nicht in bezug auf exakt dieselbe Probe
durchgeführt. Wenn zwei getrennte Driftzellen verwendet werden, werden die
Proben ebenfalls nicht exakt dieselben sein.
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USP4445038 (Bendix) sieht eine doppelte Rohranordnung vor, um zu
ermöglichen, daß positive und negative Spezies gleichzeitig festgestellt werden. Es
schlägt gegenüberliegende Driftrohre mit einer dazwischenliegenden
Ionisationsquelle und einem quer verlaufenden Strom aus Proben- und Trägergas
vor, welcher an der Ionisierungsquelle vorbeigeführt wird. Dies erfordert die
Einbindung einer langen Probeneinlaßleitung, welche von der Einlaßdüse zum einem
Eingang führt, der in der Ionisationsquelle, welche in der Mitte zwischen den
gegenüberliegenden Driftrohren montiert ist, angeordnet ist. Experimente ergaben,
daß eine seitlich versetzte Ionisierungsquelle das Erreichen eines rascheren
Ansprechens und einer größeren Empfindlichkeit ermöglicht.
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Bendix schlägt vor, daß die positiven und negativen Ionen festgestellt werden
können, indem die Verschlußgitter an jedem Rohr gleichzeitig geöffnet werden oder
das Gitter sequentiell geöffnet wird. Bei der Bendix-Anordnung zieht das
Potentialfeld in Rohr 18 positive Ionen aus dem Ionisationsbereich und Rohr 16
negative Ionen. Um gleichzeitige positive und negative Spektren zu erhalten, muß
sich der Ionisator auf einem fixen Potential befinden.
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GB2003312 offenbart einen Reaktionsbereich, welcher durch eine
Ionisationsquelle 14 in Form eines Gitters, das symmetrisch um die Längsachse eines
Reaktionsbereiches 26, 27 angeordnet ist, begrenzt wird.
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EP253 155
offenbart ein System, bei welchem das Feld im Driftrohr als
Reaktion auffestgestellte Ionen, die sich dem Kollektor 22 nähern, selektiv
umgekehrt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Ionenbeweglichkeitsdetektor
eine Probeneinlaßmembran auf, Mittel, um eine durch die Membran
hindurchtretende Probe über eine Ionisationsquelle zu einem Ionenreaktionsbereich
fließen zu lassen, mit dem zwei oder mehrere Ionendriftbereiche kommunizieren,
Mittel zur Anlegung eines Potentialgradienten an jeden Driftbereich, einen
Ioneninjektionsverschluß am Eingang zu jedem Driftbereich, wodurch der
Driftbereich für Ionen eines bestimmten Vorzeichens, die sich im Reaktionsbereich
befinden, zugänglich oder unzugänglich gemacht werden kann, einen Ionendetektor
in jedem Driftbereich, Mittel, um Driftgas jeden Driftbereich hinunter zum
Reaktionsbereich zu leiten, und Austrittsmittel im Reaktionsbereich, die von der
Ionisationsquelle entfernt angeordnet sind, um Driftgas aus dem Reaktionsbereich
abzuführen, sowie eine Quelle mit Wechselpotential, die an die Ionisationsquelle
angeschlossen ist.
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Vorzugsweise weist der Detektor zwei zylindrische Driftbereiche auf, welche
so vorgesehen sind, daß sie Ionen entgegengesetzter Polarität anziehen und an beiden
Enden eines zylindrischen Reaktionsbereiches angeordnet sind, und die
Ionisationsquelle befindet sich in einem Gehäuse außerhalb des zylindrischen
Reaktionsbereichs, wobei das Gehäuse mit der Reaktionszone in Verbindung steht.
Vorzugsweise liegen die Austrittsmittel zur Abfuhr des Driftgases dem Gehäuse für
die Ionisationsquelle diametral gegenüber.
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Die vorliegende Anmeldung ist eine Ausscheidung aus EP 90902651.0, Serial
number 456 700, welche auf die Ionisierungsquelle gerichtet ist, die von der
Reaktionszone und von den zentralen Achsen der Driftregionen versetzt angeordnet
ist.
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Die versetzte Ionisationsquelle ermöglicht auf zweckmäßige Weise, daß die
Probe über einen möglichst kurzen Weg in den Ionisationsbereich eingeführt wird.
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Ein Minimieren dieser Wegstrecke ist wesentlich, wenn das Instrument rasch auf
Veränderungen in der Probenkonzentration ansprechen soll.
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Zudem ermöglicht die versetzte Quelle eine geradlinige durchgehende
Gasstromanordnung. Diese Anordnung bietet zwei Vorteile: erstens tritt die ganze
Probe durch die ganze Quelle hindurch, eine derartige Anordnung maximiert die
Empfindlichkeit, zweitens wird die Möglichkeit, daß Probenmoleküle in die
Driftbereiche eintreten, verhindert, während die Möglichkeit, den Gasstrom frei zu
variieren, beispielsweise um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu verändern,
beibehalten wird.
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Der Vorteil des Anlegens eines Wechselpotentials an die radioaktive Quelle
besteht darin, daß es dazu neigt, die Effekte des Aufbaus einer Oberflächenladung
auf den verschiedenen Komponenten im lonisations- und im Reaktionsbereich zu
beseitigen. Die Konzentration von Ionen ist in diesen Bereichen viel größer als jene
im Rest der Vorrichtung, und es wurde erkannt, daß, wenn eine konstante Spannung
an die Quelle angelegt wird, eine Kollision von Ionen mit Oberflächen in diesem
Bereich in einem Zeitraum von Sekunden oder mehr zum Aufbau von Ladung an den
Oberflächen führt. Der damit verbundene Nachteil besteht darin, daß das elektrische
Feld innerhalb der Vorrichtung derart verändert wird, daß die Ionen aus den
gewünschten Bahnen weggestoßen werden. Der beobachtete Effekt ist eine stetige
Reduktion der Signalamplitude im Verlauf der Zeit.
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In der oben besprochenen Bendix-Patentschrift, weist Bendix nicht darauf
hin, daß das Ionisationspotential ein Wechselpotential sein sollte. Die Verwendung
eines Wechselpotentials an der Quelle führt zu periodischen Überflutungen des
lonisations- und des Reaktionsbereiches mit Ionen entgegengesetzter Polarität.
Oberflächenladungen werden somit neutralisiert, und die Ionenströme durch das
Driftrohr oder die Driftrohre werden optimiert. Es wird erkannt, daß in einem
herkömmlichen Ionenbeweglichkeitsdetektor nur eine Fraktion der Ionen, die an den
Verschlußgittern ankommen, zur Analyse in den Driftbereich eingelassen werden,
für gewöhnlich ist das Verschlußgitter etwa 1 % der Zeit lang geöffnet. Bei dieser
Vorrichtung verwenden wir diese überschüssigen Ionen zum Neutralisieren der
Oberflächenladung, um sicherzustellen, daß die maximale Ionenzahl eingelassen
wird, wenn das Gitter oder die Gitter geöffnet sind.
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Das Wechselpotential kann von seiner Frequenz und Amplitude verändert
werden; die rechteckige Wellenform ist vorzugsweise von der Symmetrie her
hinsichtlich Positivität und Negativität veränderbar, derart, daß die Dauer und
Amplitude des positiven Potentials unabhängig von der Dauer und Amplitude des
negativen Potentials variiert werden kann. Auf diese Weise, können
Ionenverweilzeiten für Ionen im Reaktionsbereich variiert werden, was ermöglicht,
die Zielionenkonzentration für positive und negative Ionen frei zu maximieren.
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In Fällen, in denen ein derartiges Wechselpotential - vorzugsweise in
Rechtecksform - verwendet wird, kann eine Probe vom Ionisations- und vom
Reaktionsbereich durch Anlegen eines kurzen Gatteröffnungsimpulses an das
Ioneninjektionsgitter in den Driftbereich eingelassen werden. Die Zeitverzögerung
zwischen dem Beginn eines Halbzyklus des Wechselpotentials und dem
Gatteröffnungsimpuls kann in einer Anzahl von vorbereitenden Schritten variiert
werden, und die daraus folgenden Ströme, erfaßt an der Detektorelektrode, können
gespeichert werden, bis am Ende der vorbereitenden Schritte für nachfolgende
Untersuchungen eine bevorzugte Zeitverzögerung für den Gatteröffnungsimpuls
gewählt wird, so daß für die Ionen von einer bestimmten Charakteristik,
beispielsweise jene, mit denen die vorbereitenden Schritte durchgeführt wurden,
optimale Ergebnisse erhalten werden.
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Auf diese Weise können eigene Zeitverzögerungen fiir die beiden Hälften des
Wechselpotentialzyklus und somit für positive und negative Ionen eingestellt werden.
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Demnach wird bei einem bevorzugten Verfahren zur Verwendung eines
Ionenbeweglichkeitsdetektors, welches sich des zweiten Aspekts der vorliegenden
Erfindung und vorzugsweise auch des ersten Aspekts bedient, und somit nicht nur
ein Wechselpotential an der Ionisationsquelle sondern auch ein Paar
gegenüberliegender Driftrohre verwendet, eine Prqbe aus dem Reaktionsbereich
durch Anlegen eines kurzen Gatteröffnungsimpulses an den Ioneninjektionsverschluß
oder das Ioneninjektionsgitter in einen Driftbereich eingelassen, wobei die
Zeitverzögerung zwischen dem Beginn eines Halbzyklus des Wechselpotentials und
dem Gatteröffnungsimpuis in einer Anzahl von vorbereitenden Schritten variiert wird
und die daraus folgenden Ströme, erfaßt am lonendetektor im Driftbereich,
gespeichert werden, bis am Ende der vorbereitenden Schritte für nachfolgende
Untersuchungen eine bevorzugte Zeitverzögerung für den Gatteröffnungsimpuls
gewählt wird, so daß für die Ionen, mit denen die vorbereitenden Schritte
durchgeführt wurden, optimale Ergebnisse erhalten werden, z.B. eine maximale
Amplitude des beurteilten Ionen-Spitzenwerts.
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Die Untersuchung erfolgt unter der Kontrolle eines Mikroprozessors in einer
Steuerung, welcher vorprogrammiert wird, um die vorbereitenden Schritte und die
nachfolgenden Untersuchungen auszuführen.
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Der gesamte Vorgang muß nicht länger als 1 Sekunde dauern, allerdings
ermöglicht er optimale Messungen in bezug auf einen bestimmten Ionen-Spitzenwert
- oder Ziel-Ionen-Spitzenwert.
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Ein Driftbereich von rohrförmiger Konfiguration kann aus alternierenden
Ringen aus Keramik bzw. Metall konstruiert werden, wobei diese elektrisch
leitenden Metallringe als Schutzringe bezeichnet werden. Der Stapel aus Ringen wird
zusammengeklemmt und abgedichtet, um ein gasdichtes Rohr zu ergeben.
Vorrichtungen dieser Art umschließen des öfteren den Stapel aus Ringen innerhalb
einer äußeren abgedichteten Hülle. Der elektrostatische Driftfeldpotentialgradient
wird hergestellt, indem benachbarte Schutzringe über einen Widerstand miteinander
verbunden werden und die Endschutzringe an die Klemmen einer Spannungsquelle
angeschlossen werden. Die leitenden Ringe liefern eine Reihe aufsteigender
Spannungspegel, und die Längsachse des Rohrs stimmt mit der Längsachse des
elektrostatischen Feldes, welches auf diese Weise gebildet wird, überein.
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Auf eine derartige herkömmliche Anordnung wird in der US-Patentschrift
3522425 Bezug genommen, welche einen "herkömmlichen" Spannungsteiler 50
offenbart, der eine Vielzahl beabstandeter leitender Umfangsplatten umfaßt, welche
durch Widerstände 52 miteinander verbunden sind und am Ende an eine Leitung 26
angeschlossen sind, welche an eine Batteriequelle und an eine geerdete Elektrode 12
angeschlossen werden kann, um einen relativ einheitlichen Feldgradienten zu liefern.
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Es können an Stelle dieser auch andere Konstruktionen verwendet werden,
um das elektrostatische Feld herzustellen. Demzufolge sieht die US-Patentschrift
4390784 ein Driftrohr vor, welches aus einem Rohr aus Keramik oder Glas oder
einem anderen geeigneten, nichtleitenden Material besteht, welches kontinuierlich
entlang seiner Innenfläche mit einer Dickfilmwiderstandszusammensetzung
beschichtet ist.
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Wir ziehen es vor, einen Potentialgradienten im Bereich von 150 bis 350 Volt
pro Zentimeter zu verwenden, insbesondere von ungefähr 225 bis 275 Volt,
beispielsweise 250 Volt pro Zentimeter.
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Aus sicherheitsspezifischen Erwägungen wird vorgezogen, daß der
Probeninjektionsteil der Vorrichtung derart angeordnet wird, daß er auf oder nahe
dem Erdpotential gehalten wird, was voraussetzt, daß sich die Kollektorelektrode am
anderen Ende des Rohres und der daran gekoppelte Verstärker auf einem erhöhten
negativen oder positiven Potential, beispielsweise 1250V oder mehr, befinden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zum
Aufzeichnen, Anzeigen oder Weiterverarbeiten des Signalausgangs des Verstärkers
von der erhöhten Spannung getrennt. Dies kann durch Verwendung eines
Trennverstärkers erreicht werden, der sich kapazitiver Kopplung eines
frequenzmodulierten Signals oder eines auf diesem Prinzip aufbauenden optischen
Systems bedient; dies wird vorzugsweise erreicht, indem das Ausgangssignal des
Verstärkers zu einem Lichtausgang von einer Stärke gewandelt wird, die
proportional zur Signalamplitude ist, und beispielsweise über eine
Lichtwellenleiterkopplung mit einem optischen Eingang für das Aufzeichnungs-,
Anzeige- oder Verarbeitungsmittel verbunden wird.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise realisiert werden, und eine
spezifische Ausführungsform wird beschrieben, um die Erfindung unter Bezugnahme
auf die beiliegenden schematischen Darstellungen zu veranschaulichen. Es zeigen:
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Figur 1 eine Blockschemadarstellung eines Ionenbeweglichkeitsdetektors,
welches die Struktur der Driftrohre und der Gasflußbahnen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung darstellt;
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Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm (in kleinerem Maßstab) der
elektrischen Anschlüsse und Elektronikkomponenten; und
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Figur 3 eine Darstellung der bei der Erfindung verwendeten
Rechteckwellenform.
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Mit Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 weist ein
Ionenbeweglichkeitsdetektor ein Paar koaxialer Driftrohre 10A und 10B auf, deren
Gattergitterenden 11A und 11B einander gegenüberliegen und einen quer
angeordneten Reaktion sbereich 27 begrenzen. Der Reaktionsbereich 27 wird mit
ionisierten Spezies von einem Ionisationsbereichsrohr 16 versorgt, welches in einem
Gehäuse 12, das auf einer Seite der Driftrohre 10A und 10B versetzt ist, angeordnet
ist. Unipolare Ionen, die für die Probe kennzeichnend sind, werden im
Reaktionsbereichsrohr 27 erzeugt, und die Beweglichkeit der erzeugten Ionen wird in
den Driftrohren 10A und 10B festgestellt. Jedes Ionendriftrohr weist eine Endkappe
14A bzw. 14B auf. Das Gehäuse 12 trägt das Ionisationsbereichsrohr 16, wobei eines
seiner Enden, das Einlaßende, neben einer Eingangsdüse 18 liegt, die vom Gehäuse
12 getragen wird. Die Schnittstelle zwischen 12 und 18 ist eine Membran 24. Das
membranseitige Ende der Düse 18 weist eine Lüftungsöffnung 20 zur Atmosphäre
auf, um Gasen das Austreten in die Atmosphäre zu ermöglichen. Das
Ionisationsbereichsrohr 16 liegt mit seinem Einlaßende der Membran 24 benachbart.
Eine Ionisationsquelle 26 ist im Rohr 16 angeordnet. Die Einlaßenden hA und lib
jedes der Driftrohre werden durch Gitter 28A und 28B verschlossen, welche auf
diese Weise die Seitengrenzen des Reaktionsbereichs 27 definieren.
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Das Rohr 16 ist ein Metallrohr mit einem Innendurchmesser von 7,4 mm.
Die Injektionsgitter 28A und 28B sind auf Keramikringen befestigt, welche Enden
der Driftrohre 10A und 10B bilden. Die Gitter 28A und 28B bestehen jeweils aus
einem sogenannten fixen Gitter und einem sogenannten beweglichen Gitter, wobei
letzteres zum Reaktionsbereich 27 hinweist.
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Jedes Driftrohr ist mit einem System ausgestattet, um einen
Driftgas-Gegenstrom durch dieses Rohr von den Endkappen 14A bzw. 148 zum
Reaktionsbereich 27 hindurchzuführen Jede Enlikappe 14 weist somit einen
Driftgaseinlaß 34A bzw. 34B auf. Der Reaktionsbereich weist einen Driftgasauslaß
22 auf, welcher auf der dem Gehäuse 12 entgegenge&etzten Seite angeordnet ist.
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Das Ionisationsbereichsrohr 16 ist auch mit elnem Einlaß 35 für ein Trägergas
(welches dasselbe Gas wie das Driftgas oder ein anderes Gas sein kann) ausgestattet.
Das Drift- und das Trägergas können von Einwegquellen, beispielsweise
Druckflaschen mit gereinigtem Gas, auf bekannte Weise zugeführt werden oder an
Umwälzpumpen, Reiniger und Trockner angeschlossen werden, so daß die Gase
ebenfalls auf bekannte Weise konserviert und rein erhalten werden und die
gewünschte Trockenheit hergestellt wird.
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Somit tritt ein Gasstrom an der Eingangsöfftlung 35 ein, nimmt Probendampf
mit, welcher durch die Membran 24 dringt, und befördert all dies entlang der
gesamten Länge der radioaktiven Quelle 26 hindurch. Im Bereich 27 wird die Probe
durch die Driftströme aus den Rohren 10A und 10B verdünnt, und die verdünnten
Probenströme treten durch 22 auf der Vorrichtung aus.
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Die Endkappen 14A und 14B tragen auch je eine Kollektorelektrode 32A
bzw. 32B, welche innerhalb der Driftrohre 10A bzw. 10B montiert sind und denen je
ein Schirmgitter 33A bzw. 33B vorgeschaltet ist. Die Schirmgitter 33A und 33B sind
vorgesehen, um kapazitive Kopplung und induzierte Ladungseffekte zu umgehen,
und werden auf einem konstanten Potential in bezug auf den Kollektor gehalten,
derart, daß der Potentialgradient im Raum zwischcn dem Schirmgitter 33A und der
Kollektorelektrode 32A vergleichbar mit jenem im Rest des Driftrohres oder größer
ist.
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Die Kollektorelektrode weist einen Durchmesser auf, der dem
Innendurchmesser des Driftrohres entspricht.
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Jedes Driftrohr 10A und 10B ist mit einer Konstruktion zum Anlegen eines
Potentialgradienten enüang der Länge des Rohres ausgestattet. Diese Konstruktion
besteht aus vier voneinander beabstandeten Metallschutzringen 30A1 bis 30A4 und
30B1 bis 30B4. Die Ringe sind durch Keramikscheiben entlang dem Rohr
voneinander beabstandet, wobei der gesamte Stapel zusammengeklemmt ist, um auf
bekannte Weise ein Rohr zu bilden.
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An jedem Ring wird eine geeignete Spannung angelegt, um den gewünschten
Spannungsgradienten herzustellen.
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Die Spannungen werden mittels eines Paares einstellbarer
Hochspannungsquellen angelegt, welche in Figur 2 schematisch als 50A und 50B
dargestellt sind, die durch eine Widerstandskette, die wiederum schematisch als 52A
und 52B dargestellt sind, überbrückt werden. Jede Kette bestehend aus
Widerständen 51) ist zwischen der Einlaßdüsenbaugruppe (die auf Nullpotential
gehalten wird) und der entsprechenden Kollektorelektrode 32A oder 32B (von denen
sich eine auf hochpositivem und die andere auf hochnegativem Potential befindet,
beispielsweise +1250 und -1250V) angeschlossen.
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Für jede Kette 52 sind Zwischenpunkte an das fixe Gitter ihres Gatters 28 und
die Schutzringe 30 ihres Driftrohres 10 und an ihr Kollektorgitter 32 und ihr
Schirmgitter 33 angeschlossen und stellen geeignete Potentialdifferenzen an diesen
verschiedenen Orten im Detektor her.
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Die Quelle 26 ist vorzugsweise die bekannte radioaktive &sup6;³Ni-Folien-Quelle,
welche Betastrahlung erzeugt. Ein Potentialgradient wird wie unten beschrieben von
der Quelle 26 zu den Gittern 28A und 28B hergestellt, welcher derart wirkt, daß die
geladenen Ionen aus der Umgebung der Quelle zu den Einspritzgittem 28A und 28B
bewegt werden (wenn 32A positiv ist, dann ist das Gitter 28A positiv und zieht
negative Ionen an; wenn 32B negativ ist, dann ist das Gitter 28B negativ und zieht
positive Ionen an), wo, wenn das Gitter geschlossen ist, die entsprechenden Ionen
entladen werden. Die genaue Funktionsweise wird unten näher beschrieben.
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Die Potentialstufen zwischen den Schutzringen 30 des Driftrohres sind gleich.
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Jede Kollektorelektrode 32A und 32B ist an einen Verstärker 36A bzw. 36B
angeschlossen, welcher eine optische Diode 38A bzw. 38B an seinem Ausgang
aufweist. Diese Dioden liegen auf demselben Potential wie die Kollektorgitter 32.
Lichtwellenleiterverbindungen 40A und 408 koppeln den Lichtausgang der Dioden
38A bzw. 38B an den Eingang der Dioden 42A und 42B am Eingang der Verstärker
44A und 44B, deren Ausgänge an den Eingang einer elektronischen Steuerung 46
angeschlossen sind. Die Steuerung liefert einen Ausgang an ein
Aufzeichnungs-/Anzeigegerät 48 und ist angeordnet, um über die Leitungen 29A und
29B Triggerimpulse an die Einspritzgitter 28A und 28B zu liefern.
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Jedes Einspritzgitter 28 wird normalerweise durch die Steuerung 46 elektrisch
vorgespannt, um ein Hindurchtreten von Ionen zu verhindern, jedoch wird jedes
periodisch mittels eines elektrischen Impulses von der Steuerung 46 freigegeben, um
zu ermöglichen, daß ein lonenimpuis durch das freigegebene Einspritzgitter 28 in das
entsprechende Driftrohr 10A oder 10B eintritt.
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Die Gitter 28 sind typischerweise zwei Sätze aus parallelen, beinahe
fingerartig ineinandergreifenden Drähten. Das Gitter wird geschlossen, wenn eine
Potentialdifferenz zwischen den beiden Drahtsätzen angelegt wird. Falls zwischen
den beiden Drahtsätzen keine Potentialdifferenz vorliegt, beispielsweise, wenn diese
elektrisch verbunden werden, können Ionen durch das Gitter fließen. Das Gitter
bietet eine kreisförmige Öffnung zum Driftrohr, welche einen Durchmesser von
12 mm aufweist.
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Die Potentialdifferenz an der Widerstandskette von 18 bis 32A beträgt
+ 1250V und von 18 bis 32B -1250V. Das Potential der Quelle 26 beträgt
vorzugsweise +250, kann jedoch bis zu +500 Volt ausmachen, und es ist ungefähr
4 mm von den fixen Gittern jedes Gitters 28 beabstandet, welche auf Spannungen
relativ zu jener an der Quelle 26 gehalten werden, u.zw. derart, daß der Feldgradient
zwischen der Quelle und dem fixen Gitter annähernd gleich jenem in den Rohren 10
ist (welcher sich für gewöhnlich auf 300 Volt/cm beläuft). Das bewegliche Gitter
jedes Injektionsgitters 28 wird von der Steuerung 46 auf einer Spannung gehalten,
die über jener des fixen Gitters liegt, beispielsweise auf 30, 40 oder angenommen 70
Volt, um das Injektionsgatter 28 geschlossen zu halten. Die Steuerung 46 gleicht die
Spannungen an, um das Gatter zu öffnen. Die Widerstände 51 zwischen den Leitern
sind typischerweise 5 Megaohm und erzeugen Potentiale an den Leitern 30A1 bis
30A4, derart, daß ein annähernd linearer Feldgradient von 300 Volt/cm in Rohr 10A
und in Rohr 10B erzeugt wird.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Driftrohrgas, für
gewöhnlich getrocknete, gereinigte Luft, wird durch jedes Driftrohr 10 geführt,
wobei es bei 34A und 34B eintritt und bei 22 austritt. Herkömmliche im Stand der
Technik bekannte Durchflußgeschwindigkeiten werden verwendet, beispielsweise 1
bis 50 cm³ Gas je cm³ Driftrohrvolumen/Minute.
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Es ist erstrebenswert, daß die Luft Nulluft ist. Es ist die Aufgabe des
Driftgases, die Ionen-Molekül-Reaktion im Driftrohr zu löschen.
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Das Trägergas, welches bei einer typischen Verwendung atmosphärische
Umgebungsluft ist, welche eine Gasprobe enthält, die bestimmt und gekennzeichnet
werden soll, wird mittels einer Pumpe (nicht dargestellt), die an der Lüftungsöffnung
befestigt ist, in den Einlaß 18 hineingesaugt. Es können ähnliche
Durchflußgeschwindigkeiten in bezug auf das Volumen des Reaktandenrohres wie
für das Driftgas verwendet werden. Die Membran 24 wird derart gewählt, daß sie
für Spezies, die bestimmt werden sollen, beispielsweise organische Moleküle,
selektiv durchlässig ist, während sie gegenüber H&sub2; 0, 0&sub2;, N&sub2; und CO&sub2; weit weniger
durchlässig oder im wesentlichen undurchlässig ist. Die Spezies, welche bestimmt
werden sollen, dringen somit durch die Membran in das Ionisationsrohr 16 ein, und
zusammen mit etwas Trägergas gelangen sie in die Nähe der Ionisationsquelle 26.
Die Membran kann eine Lage aus Gummimaterial auf Silikonbasis, beispielsweise
Dimethysilikongummi, umfassen. Die Spannungsquellen werden eingeschaltet,
wobei 50A positiv und 50B negativ ist. Die Trägergasmoleküle werden ionisiert und
in einem geringeren Ausmaß auch die Probenspezies.
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Da der Ionenbeweglichkeitsdetektor bei oder nahe bei Atmosphärendruck
betrieben wird, ist die mittlere freie Weglänge der Ionen und anderen Moleküle in
bezug auf die Abmessungen des begrenzten Raumes gering, und es kommt zu
zahlreichen Kollisionen zwischen den verschiedenen Gasmolekülen im
Reaktionsbereich innerhalb des Raumes 27. Die Kollisionen neigen dazu, durch
Ladungstransfer von den ionisierten Trägergasmolekülen ionisierte Probenmoleküle
zu erzeugen.
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Der Feldgradient zwischen der Ionisationsquelle 26 und den Injektorgittern 28
bewegt die Ionen, die durch die Ionisationsquelle aus dem Träger- und dem
Probengas erzeugt werden, zu den Injektorgittern 28.
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Der erfindungsgemäße Ionenbeweglichkeitsdetektor kann sowohl positiv
geladene als auch negativ geladene Ionen praktisch gleichzeitig feststellen. Wenn das
Potential am Kollektorgitter 32A, wie oben gezeigt wird, derart angeordnet wird,
daß es positiv ist, dann werden negative Ionen zu ihm hingezogen und der Kollektor
32B wird negativ sein, so daß positive Ionen zu ihm hingezogen werden.
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Das Ionisationsrohr aus &sup6;³Ni-Folie wird mit Wechselstrom von einer
getrennten Wechselstromquelle versorgt, welche über eine Leitung 25 von der
Steuerung 46 gesteuert wird. Dieser Strom weist eine rechteckige Wellenform auf,
typischerweise +250V bezogen auf die Erde mit einer Frequenz von bis zu 100
Hertz und typischerweise 50 Hertz (50 Zyklen pro Sekunde). Da das Potential bei 26
auf +250V umschaltet, bewirkt die Differenz zwischen 26 und dem Gitter 28A, daß
sich die negativen Ionen zum Gitter 28A hinbewegen, und sie werden entladen,
sobald sie am Gitter 28A ankommen, wenn dieses geschlossen ist. Die positiven
Ionen, die durch die &sup6;³Ni-Folie erzeugt werden, werden während dieses Zeitraums
am Rohr 16 entladen.
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Die Steuerung 46 erzeugt die rechteckige Wellenform, welche hinsichtlich der
ansteigenden und abfallende Abschnitte asymmetrisch sein kann, und steuert die
Gattergitter an, um diese nach geregelten Verzögerungszeiten von der ansteigenden
Flanke der rechteckigen Welle zu öffnen, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die positiven
oder negativen Verzögerungszeiten können getrennt eingestellt werden, entweder
händisch oder in einem rückgekoppelten Regelkreis, während der
Ziel-Ionen-Spitzenwert im positiven bzw. negativen Ionenspektrum überwacht wird.
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Bei einem ersten Arbeitsschritt mit der Zeitverzögerung, kurz tB genannt
(siehe Figur 3), wird der Detektorstrom vom Kollektor 32B. über die Verbindung
36B, 38B, 408, 42B und 44B der Steuerung 46 zugeführt und im dortigen Speicher
als Strom-/Zeitspektrum zurückbehalten, beginnend mit der Zeit des
Gatteröffnungsimpulses bei tB sowie festgestellte Strom-Spitzenwerte zu Zeiten nach
dem Start bzw. Amplituden aufweisend, welche die Eigenschaften der Ionen in einer
Packung sowie die Anzahl der Ionen mit jener Eigenschaft darstellen.
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Beim nächsten Arbeitsschritt wird die Zeitverzögerung tB erhöht, und ein
weiteres Strom-/Zeitspektrum wird gespeichert.
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Die Zeitverzögerung tB wird entlang ihres Bereiches innerhalb der positiven
Hälfte der quadratischen Welle schrittweise erhöht.
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Die Steuerung 46 ist programmiert, um zu Zwecken der späteren
Verwendung jene spezielle Zeitverzögerung tB auszuwählen, welche die höchsten
Stromamplituden in einem bestimmten Spitzenwert erbrachte.
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In aufeinanderfolgenden Schritten und unter Verwendung der gewählten
Zeitverzögerung tB werden festgestellte Ströme gemittelt und zum Aufzeichnen oder
Anzeigen verwendet. Der gesamte Vorgang kann 0,5 bis 1,0 Sekunden dauern.
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Der Vorgang wird für die Zeitverzögerung tA und die negativen Ionen
wiederholt.
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Das Intervall zwischen der Spitze aufeinanderfolgender ansteigender Flanken
beträgt für gewöhnlich 20 Millisekunden (ms). Die Gattergitter können 50-1000
Mikrosekunden (µs) lang geöffnet werden, vorzugsweise ungefähr 180
Mikrosekunden (µs) lang, und diese Gatterzeit stellt den Beginn der Driftzeit für die
Gruppe negativer Ionen im Falle von Gitter 28A oder die Gruppe positiver Ionen im
Falle von Gitter 28B dar.
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Wenn das Wechselstrompotential auf -250V umschaltet, wird die
Verzögerungszeit des Positivmodus gestartet, welche den Aufbau von positivem
Strom im Injektionsbereich 27 ermöglicht; am Ende dieser Verzögerungszeit öffnet
die Steuerung 46 das Einspritzgitter 28B während eines kurzen Zeitraums,
typischerweise 180 Mikrosekunden (µs) (Dies ist der Beginn der Driftzeit für diese
Gruppe oder Charge positiver Ionen). Das Gitter 28B wird für gewöhnlich ungefahr
loms nach dem Gatter 28A geöffnet, und zu dieser Zeit befindet sich die erste
Charge negativer Ionen ungefähr auf halbem Weg in der Mitte des Rohres 10A.
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Dieser Zyklus wird wiederholt, und die Meßwerte werden von der Steuerung
46 für die positiven und negativen Kollektorströme gemittelt, um Mittelwerte zu
ergeben. Für gewöhnlich beträgt die Anzahl der Zyklen 16, diese kann jedoch
variiert werden, um ein geeignetes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
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Die Amplitude der rechteckigen Welle kann auf Wunsch variiert werden, und
die Amplitude kann bis zu ±500 V ausmachen.
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Ein Erhöhen der Amplitude vermindert die Verweilzeit von Ionen im
lonisations- und im Reaktionsbereich und ermöglicht über eine Vielzahl von
Ionen-Molekül-Reaktionen ein Maximieren der Zielionenkonzentration.
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Die Beta-Partikel von der Ni&sup6;³-Quelle kollidieren vor allem mit
Trägergasmolekülen und erzeugen positive/negative Ionenpaare. Wenn sich die
Quelle auf positivem Potential befindet, werden die positiven Ionen an der Quelle
entladen und die negativen Ionen in den Reaktionsbereich zurückgedrängt, wo sie
weiteren Ionen-Molekül-Reaktionen, einschließlich Ladungsaustausch- und
Additionsreaktionen, unterzogen werden. Ein einfaches Beispiel dafür ist, daß, wenn
ein O&sub2;&supmin;-Ion mit einem geeigneten Probenmolekül M kollidiert, ein Ladungsaustausch
stattfinden kann, welcher gemäß O&sub2;&supmin; + M = 02 + M&supmin; eine geladene Probe und in
der Folge weitere M&supmin;-bezogene Addukt-Ionen erzeugt.
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Es sind diese Produkt-Ionen, welche aus dem Reaktionsbereich 27 zum Gitter
28A gezogen werden.
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Das Injektorgitter wird durch die Steuerung 46, welche das Potential
wegnimmt, geöffnet, typischerweise alle 20 Millisekunden (ms) etwa 0,18 ms lang,
wodurch ein regelmäßiger Impuls oder Scheibe negativ geladener Ionen in das
Driftrohr 10A eingebracht wird. Dieses Zeitintervall von 20 ms ist als Zykluszeit
bekannt. Bei dieser Anordnung kann die Zykluszeit auf Wunsch im Bereich von 10
bis 1000 ms verändert werden. Wie oben erwähnt wurde, hat das gegenströmende
Driftrohrgas die Aufgabe, alle weiteren Reaktionen zwischen den Ionen und
Molekülen zu löschen.
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Die Ionen werden daraufhin durch das angelegte gleichmäßige elektrostatische
Feld das Rohr entlang zum Kollektor 32A bewegt, und während sie das Rohr 10A
entlangbewegt werden, teilen sie sich in schnellere, beweglichere negative Ionen,
gefolgt von langsameren, weniger beweglicheren negativen Ionen, und jede Gruppe
trifft bei der Elektrode als eine Verteilung um ein mittleres oder
Spitzenwert-Maximum ein, welche verwendet wird, um die Beweglichkeit der
bestimmten negativen lonenspezies zu bestimmen. Die Ionen neigen somit dazu, sich
in Gruppen unterschiedlicher Beweglichkeit aufzuteilen, wobei die Gruppen die
Kollektorelektrode 32A nach ihrem Injizieren in das Driftrohr durch das
Injektorgitter 28A zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreichen, wobei die Driftzeiten
in direkter Relation zur Ionenbeweglichkeit stehen.
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Die Ionen werden an der Kollektorelektrode 32A entladen, und dies erzeugt
einen elektrischen Strom am Eingang zum Verstärker 36A, der in Relation zur
Anzahl von Ionen in jeder Gruppe steht, wenn diese auf die Elektrode 32A auftrifft.
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Der Strom wird vom Verstärker 36A verstärkt, welcher entsprechende
Schwankungen in der Stärke des Lichtes erzeugt, welches von der Leuchtdiode 38A
abgegeben wird.
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Das abgegebene Licht wird über die Lichtwellenleiterkopplung 40A an die
Diode 42A gekoppelt, welche einen entsprechenden Strom am Eingang des
Verstärkers 44A erzeugt, welcher verstärkt und an die Steuerung 46 und nach der
Verarbeitung an das Anzeige-/Aufzeichnungsgerät 48 weitergegeben wird, welches
ein Oszilloskop, ein Tintenschreiber, ein magnetisches Speichermedium oder ein
Warnmelder oder eine Kombination derselben sein kann.
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Ansonsten sind Bauweise, Schaltlogik und Betriebsart der Steuerung 46 wie
zuvor beschrieben wurde.
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Das Stromsignal von der elektronischen Steuerung 46 an das
Anzeige-/Aufzeichnungsgerät 48 kann ein Ionenbeweglichkeitsspektrum sein,
welches nach Ionenbeweglichkeit kalibriert werden und auf die Menge und Art von
Molekülen bezogen werden kann, die in der Atmosphäre vorliegen, welche durch die
Einlaßdüse 18 entnommen wurde.
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Der Gegenstrom von Driftgas durch die Rohre 10A und 10B dient dazu,
nichtionisierte Moleküle von Probe und Träger zu entfernen, welche eventuell durch
die Einspritzelektroden 28A und 28B hindurchgetreten sind und welche, im Falle,
daß sie nicht entfernt werden, weitere Ionen-Molekül-Reaktionen verursachen
könnten, die die Identität der Ionen, wie sie am Kollektor bestimmt wird, während
ihres Durchtretens durch den Driftbereich verändern und zu einer Verzerrung des
Ionenmobilitätsspektrum führen könnten.
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Wie oben erwähnt wurde, werden manche Moleküle zu einer einzigen
lonenspezies ionisiert, andere jedoch zu einer Reihe von lonenspezies. Der Zeitpunkt
des Eintreffens und die Größe dieser Spitzenwerte und ihr Vorzeichen können als
charakteristisches Spektrum verwendet werden, durch welches eine unbekannte
Spezies mit einer bekannten Probe in Korrelation gebracht werden kann,
vorausgesetzt, daß die Driftbedingungen bekannt sind, d.h. Potential, Trägergas,
Durchflußgeschwindigkeit, Reinheitsgrad, Temperatur, Druck und Feuchtigkeit.
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Demnach enthält die Steuerung 46 vorzugsweise eine Bibliothek von Spektren
für bekannte Spezies. Diese können auf dem Aufzeichnungs-/Anzeigegerät 48
angezeigt und mit der unbekannten Probe verglichen werden, oder der Vergleich
kann in der Steuerung erfolgen, und falls eine Übereinstimmung festgestellt wird,
kann dann der Name der festgestellten Spezies angezeigt oder ein charakteristisches
Signal, ein sichtbares oder hörbares oder beides, ausgegeben werden.
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Zudem kann die Konzentration der festgestellten Spezies gemessen werden
und eine direkte numerische Anzeige oder lediglich eine Anzeige der
Konzentrationspegel erfolgen
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Wie oben beschrieben wurde, werden die Gitter 28 in jedem Zyklus gepulst,
was, wie oben erwähnt wurde, in einem Bereich von 10 bis 1000 ms erfolgen kann.
Die Kollektorelektrode 32 mißt das Ionen-Spitzenwert-Muster kontinuierlich, wobei
die Amplitude des Impulses proportional zur Anzahl der Ionen ist, wobei die
Ionenankunftszeit kennzeichnend für das Ion ist. Somit ist die tatsächliche Driftzeit
des Ions die Zeitbasis, und in jedem Zyklus wird ein vollständiges Ionendriftmuster
erzeugt. Es kann einige Sekunden dauern, bis die Probe die Zelle freigemacht hat,
weshalb das Mitteln wiederholter Abtastvorgänge während einer Reihe von Zyklen
(wie oben erwahnt wurde) verwendet werden kann, um ein verbessertes
Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.