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Die
vorliegende Erfindung betrifft Driftkammern oder Driftröhren zur
Verwendung zum Beispiel in Ionenbeweglichkeitsspektrometern.
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Solche
Driftkammern bestehen konventionell aus einer geradlinigen Anordnung
von leitenden Elektroden, die verschiedene Formen annehmen können, elektrisch
voneinander isoliert sind und auf verschiedenen geeigneten elektrischen
Potentialen gehalten werden, um in den Zwischenräumen zwischen ihnen passende
elektrische Felder zu erzeugen, üblicherweise
entlang der Achse der Röhre.
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Die
Elektrodenanordnung ist normalerweise in einer zylindrischen gasdichten
Kammer eingeschlossen, die mit Öffnungen
ausgestattet ist, durch die Probendämpfe oder -gase und umlaufendes
Trägergas
eingeleitet werden können.
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Ionenbeweglichkeitsspektrometer
kann man verwenden, um das Vorhandensein von Gasen oder Dämpfen, die
von interessierenden Stoffen wie z. B. Sprengstoffen, Drogen und
organischen Schadstoffen verschiedener Arten herrühren, in
einer umgebenden Atmosphäre
nachzuweisen.
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Ein
Ionenbeweglichkeitsspektrometer (IMS) enthält typischerweise eine Ionisationsquelle,
einen Reaktionsbereich, eine Driftröhre, ein Strahlsperr- oder
Injektionsgitter zwischen dem Reaktionsbereich und dem Driftraum
und einen Ionendetektor, der mit einer Kollektorelektrode innerhalb
der Driftkammer verbunden ist.
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Die
Arbeitsweise von Ionenbeweglichkeitsspektrometern ist bekannt. Kurz
gesagt wird ein Trägergas,
typischerweise Luft, zusammen mit dem Probengas oder -dampf in das
Spektrometer eingeleitet und über
einen Einlass in den Reaktionsbereich eingespeist, der eine Ionisationsquelle
wie z. B. ein Nickel-63- oder ein Korona-Ionisationselement enthält, mit
der Folge von teilweiser Ionisation der Moleküle des Trägergases und der Probe. Durch
Stoß von Trägergasmolekülen auf
Probenmoleküle
kann auch zusätzliche
Ladung übertragen
werden.
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Innerhalb
des Reaktionsbereichs besteht üblicherweise
ein Potentialgefälle,
das die geladene Mischung aus Proben- und Trägermolekülen in Richtung auf das Injektionsgitter
bewegt. Das Gitter wird auf einem solchen Potential gehalten, dass
die Übertragung
der geladenen Mischung in die Driftkammer gesperrt wird, außer wenn
das Potential periodisch vermindert wird, wodurch ein Packet oder "Puls" aus Ionen in die
Driftkammer eintreten gelassen wird.
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Innerhalb
der Driftkammer bewegt ein ungefähr
konstantes Potentialgefälle,
das als Folge der an die aufeinander folgenden Elektroden der Elektrodenanordnung
angelegten Potentiale entsteht, die injizierten Ionen in Richtung
auf eine Kollektorelektrode, die sich am vom Reaktionsbereich entfernten Ende
der Driftkammer befindet, wo die Ionenladungen gesammelt werden.
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Die
Ankunftszeit der Ionen in Bezug auf die Öffnung des Injektionsgitters
hängt von
der Beweglichkeit der Ionen ab, wobei leichte Ionen die Kollektorelektrode
früher
als schwerere Ionen erreichen. Die Identität der Ionen und daher der Ursprungsmoleküle und der
Substanzen kann anhand der Flugzeit innerhalb der Driftkammer festgestellt
werden, und die relative Konzentration der Ionen und daher der Moleküle und der
Substanzen anhand der Stärke
der jeweiligen Kollektorströme.
Die Öffnung
des Injektionsgitters wird üblicherweise
periodisch gemacht, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu erhöhen oder
um eine fortlaufende Reihe von Messungen durchzuführen.
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Zur
Realisierung einer IMS-Driftkammer müssen die verschiedenen Elektroden
in ihren korrekten Relativpositionen gestützt, voneinander isoliert und
mit den passenden Spannungen versorgt werden.
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Die
EP 0 253 155 beschreibt
ein Beispiel für ein
Ionenbeweglichkeitsspektrometer. Sie spricht aber nicht das Problem
an, wie die verschiedenen Elektroden in ihren korrekten Relativpositionen
zu montieren sind.
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Früher hat
man verschiedene unterschiedliche Konstruktionsverfahren eingeführt. Viele beinhalteten
jedoch einen "Stapel" von ringförmigen,
durch Isolatoren getrennten Metallelektroden. So ein "Stapel" kann auf zwei oder
mehr Säulen
aufgereiht werden, oder in manchen Fällen können die Isolatoren gestaltet
werden, die Elektroden zu fixieren, und kann der ganze Stapel unter
axialen Druck gesetzt werden.
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Die
in so einem Stapel enthaltene Zelle kann durch ihre Konstruktion
selbst hermetisch von der umgebenden Atmosphäre abgedichtet werden, z. B. durch
Verwendung von kompressiblen Isolatoren zwischen den Elektroden.
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Im
Allgemeinen muss jede Elektrode auf einem eindeutigen elektrischen
Potential gehalten werden; in manchen Fällen wird dieses Potential
zeitlich veränderlich
sein, um eine Strahlsperrfunktion zu erzeugen. Am Günstigsten
ist es, wenn jede Elektrode mit ihrer eigenen Verbindung zu einer
Schaltung außerhalb
der Kapselung versehen wird, dies beinhaltet jedoch üblicherweise
zahlreiche gasdichte Durchführungen
für die
Driftkammer, von denen mindestens einige auf hohem Potential arbeiten
müssen.
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Ionenbeweglichkeitsspektrometer
mit Driftröhren
wie oben beschrieben sind tendenziell relativ kostspielig aufzubauen,
wegen der Notwendigkeit für präzisionsbearbeitete
Bauteile, der damit verbundenen komplizierten Montagetätigkeiten
und der Vielfalt von elektrischen Verbindungen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine zur Verwendung in einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer
geeignete Driftkammer bereitgestellt, die eine Einhüllung und
eine Vielzahl von elektrisch leitenden Elektroden aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einhüllung
ein im wesentlichen ebenes elektrisch isolierendes Substrat enthält, auf
das die Vielzahl von elektrisch leitenden Elektroden aufrecht auf
der Oberfläche
des Substrats und entlang der Achse der Driftkammer montiert sind.
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Die
Verwendung eines ebenen Substrats hat mehrere Vorteile. Erstens
wird die Herstellung im Verhältnis
zu der oben beschriebenen früheren
Driftröhre
vereinfacht, was die Kosten senkt, wenn die getrennten isolierenden
Stäbe sorgfältig zwischen
den Elektroden angeordnet und dann durch Druck an Ort und Stelle
gehalten werden müssen.
Zweitens ermög licht
es das ebene Substrat, eine im Verhältnis zu früheren Kammern wesentlich kleinere,
flachere Driftkammer herzustellen, was wiederum eine Miniaturisierung
des IMS erlaubt. Dies liegt daran, dass die Abmessungen der Einhüllung senkrecht
zur Ebene des Substrats kleiner sein können als die Abmessungen der
Einhüllung
parallel zur Ebene des Substrats.
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Vorzugsweise
ist die Einhüllung
allgemein rechtwinklig, obwohl auch ein abgestumpfter Zylinder ins
Auge gefasst werden kann, dessen Durchmesser größer ist als die Höhe des Zylinders.
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Vorzugsweise
bildet das Substrat eine Wand der Einhüllung. Auch dies erlaubt eine
Miniaturisierung der Driftkammer, da die Durchführungen von den Elektroden
zum Beispiel zu elektronischen Zusatzbauteilen zur Erzeugung von
geeigneten Elektrodenpotentialen durch das Substrat selbst hindurchgehen
können.
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Früher bestand
die Driftkammer aus einer Anordnung von Elektroden innerhalb einer
vollständig
getrennten Einhüllung,
und zusätzlich
waren getrennte Öffnungen
innerhalb der Einhüllung
dafür notwendig.
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Die
Elektroden können
mittels integraler Beine oder Stifte auf dem isolierenden Substrat
montiert werden, die in leitenden Öffnungen in dem isolierenden
Substrat positioniert und, zum Beispiel durch Weichlöten oder
Hartlöten,
mechanisch daran befestigt und elektrisch damit verbunden werden
können, zum
Beispiel in durchkontaktierten Löcher
in einer doppelseitigen Leiterplatte wie z. B. einer doppelseitig
kupferkaschierten Leiterplatte aus glasverstärktem Harz, wobei die montierten
Elektroden aufrecht auf der Oberfläche der Leiterplatte stehen
und durch einen Zwischenraum voneinander isoliert sind.
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Natürlich muss
das ebene Substrat keine unitäre
Konstruktion haben. Eine günstige
Substratform ist jedoch eine Leiterplatte.
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In
der bevorzugten Ausgestaltung sind daher gasdichte Durchführungen
von den Elektroden zu Zusatzelektronik günstig und werden preiswert
durch Löcher
in der Leiterplatte geschaffen, in die die Stifte an den Elektroden
gelötet
werden können.
Mit anderen Worten, wenn die Stifte oder Beine in den Öffnungen
darin befestigt werden, gibt es eine gasdichte Verbindung zwischen
der einen Seite des Substrats, auf der die Elektroden montiert sind,
und der anderen Seite.
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Weiterhin
können
die Relativpositionen der Elektroden durch die Orte der leitenden Öffnungen,
in denen die Beine oder Stifte angeordnet und befestigt werden,
genau definiert sein. Die elektrisch leitenden Metallaugen um die Öffnungen
herum können
durch Bereiche, aus denen das leitende Material entfernt wurde,
von den umgebenden leitenden Bereichen auf dem Substrat elektrisch
isoliert sein.
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Die
mit den Beinen oder Stiften der Elektroden verbundenen Lötaugen auf
der anderen Seite des Substrats können mit Hilfselektronik verbunden sein,
wie z. B. Vorspannungsquellen für
die Elektroden, oder zum Beispiel mit spannungsdefinierenden Bauteilen
wie z. B. quer über
eine Vorspannungsquelle verbundenen Elementen einer Widerstandskette,
welche Elemente in Form von konventionellen oder oberflächenmontierten
Bauteilen auf dem Substrat montiert werden können.
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Vorzugsweise
besteht die Einhüllung
aus einem leitenden Material oder enthält ein solches. In einer Form
ist die Einhüllung
Blech. Verwendung eines leitenden Materials ermöglicht Abschirmung der empfindlichen
Elektronik, die zu der Kollektorelektrode gehört.
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Die
Einhüllung
selbst kann mittels Stiften oder Beinen, die in Öffnungen in dem Substrat eingreifen,
zum Beispiel in durchkontaktierte Löcher, auf dem Substrat angeordnet
werden, um die aufrechten Elektroden einzuhüllen.
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Die
notwendige Abdichtung der Einhüllung zum
Substrat kann durch Löten
der Ränder
des Blechs, aus dem die Einhüllung
optional ausgebildet ist, an entsprechende leitende Flächen auf
dem Substrat oder alternativ mittels eines geeigneten Dichtmittels
bewirkt werden.
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Gaseintritt – Träger- und
Probenflüsse – in die
abgedichtete Umhüllung
kann durch Öffnungen
in der Einhüllung
oder durch Öffnungen
in dem Substrat ermöglicht
werden.
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Die
Verwendung so einer Konstruktion ermöglicht eine leichte Herstellung
einer kostengünstigen,
leichten Driftkammer für
ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer unter Verwendung von konventionellen
Herstellungstechniken für
elektronische Schaltungen, wobei so eine Driftkammer immanent für physische
Integration mit der für
ihren Betrieb nötigen elektronischen
Schaltung geeignet ist. Außerdem können die
Elektroden unter Verwendung von Fotolithografietechniken leicht
und relativ preiswert in der Ebene ausgebildet und dann in die benötigte Form gebogen
werden. Auf solche Weise ausgebildete Elektroden sind immanent zum
Löten auf
Leiterplatten geeignet.
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Zum
Beispiel können
die Elektroden, die die Driftkammer gemäß der vorliegenden Erfindung
ausbilden, relativ klein gemacht werden, typischerweise 15 mm × 10 mm × 5 mm.
Somit kann man ein IMS konstruieren, das alle Elektronik und elektrischen Bauteile
enthält,
die zum Betrieb nötig
sind, und das wenig kleiner als ein Taschenrechner ist.
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Die
Erfindung wird nur beispielshalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1a, 1b und 1c die
Draufsicht, Seitenansicht bzw. Stirnansicht (wobei die umgebende
Einhüllung
abgeschnitten ist) einer Form von Driftkammer gemäß der Erfindung
zeigen, die in einem kleinen tragbaren IMS-Instrument eingebaut
ist;
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2 die verschiedenen Elektrodenelemente
zeigt, die in der Driftkammer von 1 verwendet werden;
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3 einen Teil einer Seite
einer Leiterplatte zeigt, auf der solche Elektroden montiert werden
können;
und
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4 den entsprechenden Teil
der anderen Seite der Leiterplatte von 3 zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf 1 der
Zeichnungen trägt
eine doppelseitige Leiterplatte 10 eine Reihe von Metallfolien-
oder Schichtelektroden unterschiedlicher Arten, die zusammen eine
Driftkammer für
das auf der Platte 10 getragene Ionenbeweglichkeitsspektrometer
bilden.
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Elektroden 12 sind
identische felddefinierende Elektroden, Elektroden 14a und 14b bilden
zusammen ein Strahlsperrgitter, und Elektroden 16a und 16b bilden
zusammen Ionisierungsbereich-Elektroden für die Driftkammer.
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Eine
Elektrode 18 ist die Kollektorelektrode für die Driftkammer,
montiert auf und direkt verbunden mit einem nicht gezeigten Signalverstärker, der auf
einer Zusatzleiterplatte 20 getragen wird.
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Jede
Elektrode ist mechanisch durch integrale Stifte oder Beine wie z.
B. 22 gestützt,
die außerdem
dazu dienen, eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden
und den passenden leitenden Teilen der Leiterplatte 10 herzustellen.
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Der
gesamte Aufbau ist in einer gasdichten Blecheinhüllung 24 enthalten,
die mit der Oberseite der Leiterplatte 10 versiegelt ist,
indem sie entlang des Umfangs ihres unteren, offenen Endes mit einer entsprechenden
Metallisierungsbahn auf der Leiterplatte 10 verlötet ist.
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Innerhalb
der Einhüllung 24 wird
ein Sieb verwendet. Dieses enthält
ein Trocknungsmittel zum Trocknen der durch die Driftkammer strömenden Luft.
An der Einhüllung 24 kann
außerdem
ein Miniaturlüfter
angebracht sein, um die Luft in der entgegengesetzten Richtung zu
derjenigen des Elektronenflusses in der Driftkammer umzuwälzen. Im
Umriss gezeigt ist außerdem
die Probeneinlassöffnung 26 für das Instrument,
die dazu dient, Probengase und -dämpfe in den Reaktionsbereich
des Instruments zu leiten, und eine Korona-Ionisationselektrode 28.
Diese kann als Teil der Einhüllung 24 ausgebildet
sein.
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Die
Gestaltung der verschiedenen Driftkammerelektroden in der Ebene,
bevor sie entlang der angezeigten gestrichelten Linien wie z. B. 30 gebogen
werden, um ihre endgültigen
dreidimensionalen Gestaltungen auszubilden, sind jeweils in 2a bis 2e gezeigt.
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Die
in 2 gezeigten Elektroden
werden einschließlich
aller Öffnungen,
Drähte
und Netze mittels eines Standard-Fotoätzprozesses in der Ebene in
ihrer Gesamtheit aus 0,006 Inch (150 μm) dickem Messingblech hergestellt.
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Die
Messingelektroden sind zweckmäßig metallüberzogen.
Die felddefinierenden Elektroden sind zinnüberzogen, während die Strahlsperrgitter-Elektroden 14a und 14b goldüberzogen
sind, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass sich isolierende
Oberflächenschichten
ausbilden und die Wirkung der Gitter aufgrund von Oberflächenladungen
auf den Schichten stören.
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2a zeigt eine Elektrode 16a,
die ein Teil der Ionisierungsbereich-Elektroden bildet, bevor es zu
der endgültigen
dreidimensionalen Struktur gebogen wird. Wie vorher erwähnt, wird
die ebene Metallelektrode in 2a aus
Messingblech geformt, das mit Fotoresist strukturiert und geätzt wird,
um die gewünschte
Form auszubilden. Die in 2a gezeigten gestrichelten
Linien 30 sind in der Praxis Kerblinien, die durch teilweises Ätzen des
Messingblechs ausgebildet werden. Die Kerblinien helfen beim Biegen der
ebenen Elektrode in ihre endgültige,
allgemein kastenartige Form.
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In
das Messingblech werden außerdem
Löcher 31 geätzt. Diese
dienen dazu, die Luftströmung durch
die Driftkammer zu verbessern und die Trocknungswirkung des Siebes
zu unterstützen.
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2b zeigt eine Elektrode 16b,
die das andere Teil der Ionisierungsbereich-Elektroden bildet, wieder
bevor es in seine endgültige
dreidimensionale Form gebogen wird.
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2c zeigt in Draufsicht die
Kollektorelektrode 18. Das Netz 19 schirmt die
Elektrode von den induzierten Strömen ab, die durch den sich
nähernden
Ionenpuls erzeugt werden, und hat eine kuppelförmige Wabenform, um seine Steifigkeit
zu verbessern. 2d zeigt,
wieder in der Ebene, eine der felddefinierenden Elektroden 12.
Wie bei den anderen Elektroden sind Löcher 31 vorgesehen,
um die Luftströmung
durch die Driftkammer zu verbessern.
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2e und 2f zeigen jeweils die zwei Teile des
Strahlsperrgitters in der Ebene. Jedes enthält eine Reihe von Drähten 32,
die, wie vorher beschrieben, durch Ätzen eines Messingblechs erzeugt
werden.
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Die
zwei Teile 14a und 14b des Strahlsperrgitters
werden mittels einer isolierenden Zwi schenschicht mechanisch zusammengebaut,
aber elektrisch voneinander isoliert. Die zwei Teile sind in 2e bzw. 2f gezeigt. Jedes enthält Laschen
wie z. B. 14c, die umgebogen werden, um jedes Teil an einem
Zwischen-Isolator aus Melamin oder, für Anwendungen bei höherer Temperatur,
aus Glimmer zu befestigen. Alternativ können die zwei Teile 14a und 14b durch
eine doppelseitig klebende Zwischenschicht, an die jedes Teil kleben
gelassen wird, zusammengehalten werden.
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Die
einander entgegengesetzten Ober- und Unterseiten einer doppelseitigen
Leiterplatte 10, die die Driftkammer trägt, sind in 3 bzw. 4 gezeigt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist
eine Reihe von leitenden Flächen 42, 44, 46 und 48 auf
der Oberseite 40 der Leiterplatte 10 gezeigt.
Jede leitende Fläche
entspricht der und bildet die untere leitende Seite 20 jeweils
einer der verschiedenen Elektrodenstrukturen 12, 14,16, 18,
in 1 gezeigt. Die leitenden
Flächen
sind mit zugehörigen
angrenzenden durchkontaktierten Löchern wie z. B. 52 verbunden, in
die die Stifte oder Beine wie z. B. 22 der jeweiligen Elektroden
gelötet
werden. Hierdurch wird eine Verbindung zwischen den leitenden Flächen und
ihren jeweiligen Elektroden und, über die durchkontaktierten
Löcher,
mit der Schaltung auf der Unterseite 54 der Leiterplatte 10 hergestellt.
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Die
breite leitende Bahn 60 auf der Oberseite 40 der
Platte 10 bildet die Oberfläche, an die der Umfang des
unteren offenen Endes des Blecheinhüllung 24 gelötet wird,
um die zusammengebaute Driftkammer einzuhüllen. Die Einhüllung kann
mit nach unten verlaufenden Stiften zur Ortsfestlegung versehen sein,
wobei solche Stifte in Löcher
in der Platte 10 eingreifen, wie bei 62 in 4 gezeigt.
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Mit
den durchkontaktierten Löcher,
in die die Elektroden hineingehen, verknüpft und verbünden sind
eine Reihe von oberflächenmontierten
Widerständen
wie z. B. 64, die auf der Unterseite 54 der Platte 10 getragen
werden und zusammen eine Potentialteilerkette ausbilden, um die
auf der Oberseite 44 der Platte getragenen Elektroden mit
passenden Potentialen aus einer quer über die Kette verbundenen Gleichspannungsquelle
zu versorgen.
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Man
kann verschiedene Modifizierungen an der Konstruktion der gezeigten
Driftkammer vor nehmen, die nur eine Ausführungsform einer Driftkammer
und eines Ionenbeweglichkeitsspektrometer gemäß der Erfindung darstellt,
ohne über
den Schutzbereich der beigefügten
Patentansprüche
hinauszugehen.
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Aus
der Verwendung von gemäß der Erfindung
konstruierten Driftkammern erwachsen zahlreiche Vorteile, einschließlich:
niedrige
Bauteilekosten aufgrund der Verwendung von etablierten Fotoätz- und
Leiterplattenkonstruktionstechniken;
niedrige Bauteilekosten
aufgrund von konventioneller Bauteile-Ortsfestlegung und konventionellem
Bauteile-Zusammenbau in der Elektronikindustrie;
elektrische
Durchführungen
und Verbindungen automatisch bei Konstruktion und Zusammenbau hergestellt;
Gestaltungsänderungen
einfach durchzuführen;
und
die resultierende Driftkammerstruktur ist leicht und steif,
was sie besonders für
persönliche
und tragbare IMS-Instrumente geeignet macht.
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Ein
weiterer Vorteil der relativ kleinen Abmessungen der Driftkammer
ist, dass ein IMS mit zwei Driftkammern konstruiert werden kann,
wobei die Gesamtabmessungen des IMS noch klein genug sind, um in
der Hand oder Handfläche
gehalten zu werden. Mittels zweier Driftkammern kann der IMS sowohl
positiv als auch negativ geladene Ionen nachweisen, ohne irgendwelche
Einstellungen an der Vorrichtung vornehmen zu müssen. Zum Beispiel kann die
Steuerschaltung für
den IMS (nicht gezeigt) programmiert sein, schnell zwischen den
zwei Driftkammern umzuschalten, und eine Echtzeitanzeige des Vorhandenseins
sowohl von positiv geladenen Ionen wie z. B. Nervenwirkstoffen als
auch negativ geladenen Ionen wie z. B. den meisten Sprengstoffen
und Senfgas liefern.
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Zwar
wurde eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, bei der die Driftkammer auf einer Leiterplatte
montiert ist, man erkennt aber, dass der oben verwendete Ausdruck "Leiterplatte oder
dergleichen" andere, ähnliche
Formen von Schaltungsträgern
wie zum Beispiel, ohne Beschränkung,
keramischen oder isolierten Metallsubstraten umfasst, die leitende
Strukturen tragen, die auf irgendeine bekannte Weise darauf aufgebracht
sind. Ähnlich
wird zwar auf "durchkontaktierte
Löcher" in solchen Schaltungsträgern Bezug genommen,
die leitenden Schichten in solchen Durchgangslöchern können aber auf andere Arten
erzeugt werden, wie z. B. durch Metallisierung. Andere Verfahren
als Löten,
z. B. Hartlöten,
entsprechend der Beschaffenheit des Substrats und des leitenden
Materials der Leiterplatte, können
ebenfalls verwendet werden, um die Stifte 22 elektrisch
und mechanisch an dem leitenden Material der Durchgangslöcher in
dem Schaltungsträger zu
befestigen.
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Man
erkennt, dass beim Ausführen
der Erfindung Konstruktionsverfahren und die dafür verwendeten Materialien so
sein sollten, dass sie keine Substanzen in die fertige Driftkammer
oder das Ionenbeweglichkeitsspektrometer einführen, die bewirken, dass Gase
oder Dämpfe,
selbst in Spurenmengen, wahrscheinlich den korrekten Betrieb des
Instruments stören.