JP2000516710A - ドリフト・チャンバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イオン移動度分光計用のドリフト・チャンバは、印刷回路板などの共通絶縁基板（１０）上に取り付けられた導電性電極（１２、１４、１６、１８）の配列を含む。印刷回路板は、矩形の外被（２４）の１つの面を形成することもでき、これによってドリフト・チャンバを従来のものよりも実質的に小さくすることができる。印刷回路板は、その周囲を取り巻くトラック（６０）を有することもでき、このトラックに矩形の外被（２４）を取り付けて気密のシールを作ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 ドリフト・チャンバ 本発明は、例えばイオン移動度分光計において使用するためのドリフト・チャ ンバすなわちドリフト管に関する。 このようなドリフト・チャンバは従来、導電性電極の直線配列からなり、これ らの電極は互いに電気的に絶縁された様々な形をとることができ、相互間の通常 は管の軸に沿った空間に適切な電界を発生させるために、様々な適当な電位に保 持される。 電極配列は通常は、開口を備えた円筒形気密チャンバ中に囲まれ、これらの開 口を通じて試料蒸気または試料ガス、および循環するキャリア・ガスを導入する ことができる。 問題とする物質、例えば爆発物、薬物、および各種の有機汚染物質から生ずる ガスまたは蒸気の大気中における存在を検出するために、イオン移動度分光計を 使用することができる。 イオン移動度分光計（ＩＭＳ）は一般に、イオン化源、反応領域、ドリフト管 、ゲートまたは、注入部、反応領域とドリフト空間との間のグリッド、およびド リフト・チャンバ内部のコレクタ電極に結合されたイオン検出器から構成される 。 イオン移動度分光計の動作様式は公知である。簡単に言えば、キャリア・ガス 、一般には乾燥空気を、試料ガスまたは試料蒸気とともに分光計中に導入し、入 口を経てニッケル６３またはコロナ電離元素などのイオン化源を含む反応領域に 供給し、その結果キャリア・ガスおよび試料の分子を電離させる。キャリア・ガ ス分子から試料分子への衝撃によって、追加の電荷も運ばれる。 反応領域の内部には電位勾配が通常存在し、試料分子とキャリア・ガス分子の 混合物を注入グリッドに向けて移動させる。グリッドは、電位が周期的に低下す るときにドリフト・チャンバへの荷電混合物の移送を遮断するような電位に保持 されており、これによってイオンのパッケージまたは「パルス」がドリフト・チ ャンバに入ることができるようになる。 ドリフト・チャンバの内部で、電極配列の連続する電極に電位が印加される結 果として生ずるほぼ一定の電位勾配が、注入されたイオンを、反応領域から離れ たドリフト・チャンバの端部にあるコレクタ電極に向けて移動させ、そこでイオ ン電荷が集められる。 注入グリッドの開放からイオンの到達までに要する時間は、イオンの移動度に 依存し、軽いイオンは重いイオンよりも早くコレクタ電極に到達する。イオンの 同定、したがって元の分子および物質の同定は、ドリフト・チャンバ内の飛翔時 間を参照することによって確立することができ、イオンの相対濃度は、したがっ て分子および物質の相対濃度は、それぞれのコレクタ電流の大きさを参照するこ とによって確立することができる。注入グリッドの開放は通常、システムの信号 雑音比を高くするため、または連続する一連の測定を実施するために、周期的に 行われる。 ＩＭＳドリフト・チャンバを実現するために、様々な電極をその正しい相対位 置に支持し、互いに絶縁し、適切な電圧を供給しなければならない。 これまで、様々な異なる構成方法が採用されてきた。しかし、その多くは、絶 縁物によって分離された環状の金属製電極の「スタック」を含むものであった。 このような「スタック」は、２個以上のカラム上にねじ込むことができ、または 場合によっては、電極を配置するために絶縁物を構成し、スタック全体を軸方向 圧縮下に置くこともできる。 このようなスタックの内部に含まれるセルを、その構造の性質によって、例え ば電極間に圧縮性絶縁物を使用して、周辺大気から密封することができる。 一般に各電極は独特の電位に保持する必要があり、場合によってはこの電位が 時間的に変化して、ゲート機能を提供することもある。これは、各電極に格納容 器の外側の回路へのそれ自体の接続が設けられる場合には最も好都合であるが、 それには通常、ドリフト・チャンバ用の多数の気密貫通導管が必要となり、少な くともその一部は高電位で作動する必要がない。 上述のようなドリフト管を使用するイオン移動度分光計は、精密加工された構 成要素、これに伴う複雑な組立て作業、および多数の電気接続が必要なため、製 造が高価になる傾向がある。 本発明によれば、電極がプレーナ絶縁基板上に取り付けられることを特徴とす る、イオン移動度分光計における使用に適した、複数の導電性電極を含むドリフ ト・チャンバが提供される。 プレーナ絶縁基板の採用はいくつかの利点をもたらす。第一に、個別の絶縁棒 を電極の間に注意深く配置して、圧縮によって適所に保持しなければならないの で、上述の従来のドリフト管と比較して製造が簡単になり、したがってコストは 低くなる。第二に、プレーナ基板によって、従来のチャンバよりも非常に小さく て平らなドリフト・チャンバを製造することが可能となり、したがってＩＭＳの 小型化が可能になる。例えば、ドリフト・チャンバはさらに外被を含み、電極の 少なくともいくつかは前記の外被の内部にあり、基板の平面に直角な外被の寸法 は、基板の平面に平行な外被の寸法よりも小さい。 この外被は、一般に矩形であることが好ましいが、直径が高さよりも大きな円 筒台も考えられる。 基板は外被の１つの壁を構成することが好ましい。電極から例えば適当な電極 電位を発生させるための付属の電子回路への貫通導管が、基板自体を通過できる ので、上記構成によってさらにドリフト・チャンバの小型化が可能になる。 従来のドリフト・チャンバは、完全に分離した外被の内部において電極の配列 により構成され、したがって、この外被内部の追加の個別開口は必要ではなかっ た。 電極は、絶縁基板中の導電開口内に、例えば両面銅クラッド・グラス補強樹脂 印刷回路板などの両面印刷回路におけるメッキされた貫通孔中に配置できそれに 機械的に取り付けて、例えば溶接またはろう付けによって、電気的に接続するこ とができる、一体レッグまたはピンによって絶縁基板上に装着することができ、 装着された電極は回路板の表面から直立し、中間の空間によって互いに絶縁され る。 もちろん、プレーナ基板は一体構造である必要はない。しかしながら、基板の 好都合な１つの形は印刷回路板である。 したがって、好ましい配置では、電極から付属の電子回路への気密貫通導管が 、印刷回路板における孔によって好都合かつ安価に提供されその中に電極のピン を溶接することができる。言い換えれば、ピンまたはレッグが印刷回路板中の開 口 内に固定されると、上に電極を取り付けた基板の一面と他の面との間に気密の接 続ができる。 さらに、各電極の相対位置は、ピンまたはレッグが配置され固定される導電性 開口の位置によって正確に定義される。開口の周りの導電性金属パッドは、導電 性材料が除去された領域によって、基板上の周辺導電領域から電気絶縁される。 基板の他の面上で電極のレッグまたはピンと接続されるパッドは、電極用のバ イアス電位源など付属の電子回路に、または例えば、従来の構成要素または表面 取付け構成要素の形で基板上に取り付けることのできる、バイアス電位源の両端 間に接続された抵抗連鎖の要素など、電圧を定義する構成要素に接続することが できる。 外被は導電材料で構成し、または導電材料を含むことが好ましい。一形状では 外被は薄板金属である。導電材料を使用すると、コレクタ電極に関連する敏感な 電子回路の遮へいが得られる。 外被は、それ自体基板上に配置され、基板の開口中に、例えばメッキされた貫 通孔中に嵌合するピンまたはレッグによって、直立した電極を囲む。 基板に対する外被の必要な密封は、金属薄板から随意に基板上の対応する導電 領域を形成し、この金属薄板の縁部をはんだ付けすることによって、または適当 な密封材料によって行うことができる。 密封された外被へのガス流入、すなわちキャリアと試料の流れは、外被中のポ ートを通じて、または基板における開口を通じて行われる。 このような構造の使用により、従来の電子回路製造技法を使用して、イオン移 動度分光計用の低コストで軽量のドリフト・チャンバを容易に製造することが可 能となり、このようなドリフト・チャンバは、その動作に必要な電子回路との物 理的統合に本質的に適している。これに加えて、電極はフォトリソグラフィ技法 によって容易かつ低廉に平らに形成し、次いで望みの形状に折り曲げることがで きる。このような方法で形成された電極は、印刷回路板のはんだ付けに本質的に 適している。 例えば、本発明によるドリフト・チャンバを形成する電極は、比較的小さく、 一般に１５ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍにすることもできる。したがって、ポケット 計算機程度の操作に必要なすべての電子・電気構成要素を納めたＩＭＳを作成す ることが可能になる。 本発明を、添付の図面を参照して例としてのみ説明する。図面において、 図 １ａ、図１ｂ、および図１ｃはそれぞれ、小型ポータブルＩＭＳ計器を組み込ん だ本発明によるドリフト・チャンバの一形状の平面図、側面図、および端面図（ 周囲の外被は切開）である。 図２は、図１のドリフト・チャンバにおいて使用される様々な電極要素の図で ある。 図３は、このような電極要素を取り付けることのできる印刷回路板の片面の部 分図である。 図４は、図３に示す印刷回路板の他の面の対応する部分図である。 図面の図１では、両面印刷回路板１０が、一連の様々な形式の金属箔電極また は薄板電極を担持し、これらの電極は全体として、印刷回路板１０上に担持され たイオン移動度分光計用のドリフト・チャンバを構成する。 電極１２は、ドリフト・チャンバ用の、同じフィールド定義電極であり、電極 １４ａ、１４ｂはあいまってゲート・グリッドを構成し、電極１６ａ、１６ｂは あいまってイオン化領域電極を構成する。 電極１８は、付属印刷回路板２０上に取り付けられ、図示されていない信号増 幅器に直接接続された、ドリフト・チャンバ用のコレクタ電極である。 各電極は、電極と印刷回路板１０の適当な導電性部分との間の電気的接続を行 う働きもする２２などの一体式ピンまたはレッグによって機械的に支持されてい る。 組立品全体は、薄板金属でできた気密の外被２４中に納められ、この外被は、 その下部の開放端の周辺に沿って、印刷回路板１０上の対応する金属被覆された トラックにはんだ付けすることによって、印刷回路板１０上面に対して密封され る。 外被２４の内部には、ふるいが採用されている。これは、空気がドリフト・チ ャンバに流れるとき、空気を乾燥させるための乾燥剤を含んでいる。ドリフト・ チャンバにおける電子の流れと反対方向に空気を循環させるために、小型 ファンを外被２４に取り付けることもできる。計器の反応領域中に試料ガスや試 料蒸気を導くために使用される計器用の試料取入れ開口２６、およびコロナ電離 電極も輪郭で示す。電極２８は外被２４みら一部として形成することもできる。 ３０などの指示された点線に沿って曲げてその最終的な三次元構成を形成する 前の、平形の様々なドリフト・チャンバ電極の構成を、それぞれ図２ａから図２ ｅに示す。 図２に示す各電極は、標準のフォトエッチング法によって、すべての開口、電 線、およびメッシュを含めて厚さ０．００６インチ（１５０μｍ）の真ちゅう薄 板から、全体的に平らに製作される。 真ちゅう電極は適当に金属めっきされる。電界定義電極はスズめっきされ、ゲ ート・グリッド電極１４ａ、１４ｂは金めっきされ、絶縁表面層が形成する機会 および、層上の表面電荷によってグリッドの動作が加えられる機会が最少になる 。 図２ａは、最終の三次元構成に曲げる前の、イオン化領域電極の一部を構成す る電極１６ａを示す。上述のように、図２ａの平形金属電極は、フォトレジスト によってパターン付けされエッチングによって望みの形状に形成された真ちゅう 薄板から形成される。図２ａに示す点線３０は、実際には、真ちゅう薄板の部分 エッチングによって形成された切目線である。切目線は、平形電極を最終の一般 に箱状の形に折り曲げる助けとなる。 真ちゅう薄板には孔３１もエッチングによって設けられる。これらの孔は、ド リフト・チャンバを通る空気流を改善し、ふるいの乾燥作用を助けるために使用 される。 図２ｂもまた、最終三次元構成に曲げる前の、イオン化領域電極の他の部分を 構成する電極１６ｂを示す。 図２ｃは、コレクタ電極１８の平面図である。メッシュ１９は、到達するイオ ン・パルスによって発生する誘導電流から電極を遮へいし、このメッシュは電極 の剛性を高めるためのドーム状ハネカム形状である。図２ｄもまた、電界定義電 極１２の１つを平面図で示す。他の電極と同様に、ドリフト・チャンバを通る空 気流を改善するために孔が設けられている。 図２ｅと図２ｆは、ゲート・グリッドの２つの部品をそれぞれ平面図で示す。 各々、上述のように真ちゅう薄板のエッチングによってできた一列の電線３２を 含む。 ゲート・グリッドの２つの部品１４ａ、１４ｂは、共に機械的に組み立てられ 、中間絶縁層によって互いに電気絶縁されている。これら２つの部品をそれぞれ 図２ｅと図２ｆに示す。各々は、メラミンの中間絶縁物、または高温適用例では マイカの中間絶縁物に各部品を固定するために、後方へ曲げられる１４ｃなどの タブを含む。あるいは、これら２つの部品１４ａ、１４ｂを、両者を接着させる 両面接着中間層によって共に保持することもできる。 ドリフト・チャンバを支える両面印刷回路板１０の対向する上側と下側を、そ れぞれ図３と図４に示す。 図３において、一連の導電領域４２、４４、４７、４８が印刷回路板１０上面 ４０に示されている。各導電領域はそれぞれ、図１に示す様々な電極構造１２、 １４、１６、１８の１つに対応し、かつその下部導電面２０を形成する。導電領 域は、５２など関係する隣接のめっき貫通孔に連結され、この孔の中にそれぞれ の電極の２２などのピンまたはレッグがはんだ付けされる。これによって、導電 領域とそのそれぞれの電極との間から、めっき貫通孔を経て回路板１０の下面５ ４上の回路に至る接続が得られる。 回路板１０上面４０上にある幅広の導電トラック６０は、薄板金属の外被２４ の下部開放端の周囲がはんだ付けされてドリフト・チャンバを囲む表面を提供す る。外被は、位置付けをするための下向きに延びるピンを備えることもでき、こ のようなピンは、図４に６２で示す回路板１０における孔中に嵌合する。 電極を取り付けるめっきされた貫通孔は、回路板１０の下面５４上に取り付け られた６４などの表面実装抵抗器が連結され接続されて、全体として分圧器の列 を形成して、この列の両端間に接続されたＤＣ電源から回路板上面４４上に担持 された電極に、適切な電位を供給する。 本発明によるドリフト・チャンバおよびイオン移動度分光計の実施形態を１つ だけ説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく、ここに示したドリフト・チ ャンバの構造に対して様々な変更を加えることもできる。 本発明によって製造されたドリフト・チャンバを使用すると、下記のような多 くの利点が生ずる。すなわち 確立されたフォトエッチングおよび印刷回路板製造技法によって構成要素コス トが低くなり、 従来の電子工業構成要素の位置決めおよび組立て方法を使用するため組立てコ ストが低くなり、 電気的フィードスルーおよび電気的相互接続が製造および組立ての際に自動的 に確立され、 設計変更の実施が簡単であり、 結果的に得られるドリフト・チャンバの構造が軽量かつ堅牢であり、とくに個 人用およびポータブルなＩＭＳ計器に適するものにする。 ドリフト・チャンバの寸法が比較的小さいことのさらなる利点は、ＩＭＳを２ つのドリフト・チャンバで製造することができ、それでもＩＭＳの全体寸法は手 または掌で持てるほど十分に小さい。２つのドリフト・チャンバの使用によって 、ＩＭＳは、装置の調整を全く行うことなく、正に帯電したイオンと負に帯電し たイオンの両方を検出することができる。例えば、ＩＭＳ用の制御回路構成（図 示せず）を、２つのドリフト・チャンバの間で素早く切り替わるようにプログラ ミングして、神経ガスなどの正に帯電したイオンと爆薬やマスタード・ガスなど の負に帯電したイオンの両方の存在をリアルタイムで示すことができる。 ドリフト・チャンバが印刷回路板上に取り付けられる、本発明の一実施形態を 説明したが、上で使用した用語「印刷回路板または類似物」は、限定なしに、例 えば、公知の何らかの方法で基板に付着された導電パターンを備える、セラミッ クまたは絶縁された金属の基板など、他の類似形状の回路キャリアも包含するこ とを理解されたい。同様に、このような回路キャリアでは「めっき貫通孔」も参 照されているが、このような貫通孔における導電層を、めっきなど他の方法で作 成することもできる。はんだ付け以外の方法、例えば基板や回路板の導電性材料 の性質に適したろう付けも、回路キャリアにおける貫通孔の導電性材料にピン２ ２を電気的および機械的に取り付けるために採用することができる。 本発明を実施する際に、そのために使用される製造方法と材料は、完成された ドリフト・チャンバまたはイオン移動度分光計中に、ごくわずかな量でも、計器 の正しい動作を損なうガスまたは蒸気を生じさせるいかなる物質も入れないよう なものにすべきであることを理解されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．イオン移動度分光計における使用に適した、複数の導電電極を含むドリフト ・チャンバであって、電極がプレーナ絶縁基板上に取り付けられることを特徴と するドリフト・チャンバ。 ２．外被をさらに含み、電極の少なくともいくつかが前記外被の内部にあり、基 板の平面に直角な外被の寸法が、基板の平面の平行な外被の寸法よりも小さいこ とを特徴とする請求項１に記載のドリフト・チャンバ。 ３．外被が一般に矩形であることを特徴とする請求項２に記載のドリフト・チャ ンバ。 ４．基板が外被の１つの壁を構成することを特徴とする請求項２または３に記載 のドリフト・チャンバ。 ５．基板が外被と共に気密シールを形成することを特徴とする請求項２から４の いずれか一項に記載のドリフト・チャンバ。 ６．基板が電極を受けるように配置された複数の導電性開口を含むことを特徴と する上記の請求項のいずれか一項に記載のドリフト・チャンバ。 ７．電極が基板における導電性開口に入れるように配置された統合レッグを含む ことを特徴とする請求項６に記載のドリフト・チャンバ。 ８．電極がはんだによって導電性開口に取り付けられることを特徴とする請求項 ６または７に記載のドリフト・チャンバ。 ９．絶縁基板が導電性パターンを担持することを特徴とする上記の請求項のいず れか一項に記載のドリフト・チャンバ。 １０．絶縁基板が印刷回路板であることを特徴とする請求項９に記載のドリフト ・チャンバ。 １１．印刷回路板が両面に印刷されていることを特徴とする請求項１０に記載の ドリフト・チャンバ。 １２．印刷回路板が両面銅補強またはグラス補強樹脂印刷回路板であることを特 徴とする請求項１０または請求項１１に記載のドリフト・チャンバ。 １３．電極の各々が、外被中で基板の第一平板面上に配置され、電子回路が基板 の他の平板面上に配置されていることを特徴とする請求項２から１２のいずれか 一項に記載のドリフト・チャンバ。 １４．電子回路が電極のバイアス電位源を含むことを特徴とする請求項１３に記 載のドリフト・チャンバ。 １５．電子回路が、少なくとも一部の電極上に電圧を定義するための構成要素を 含むことを特徴とする請求項１３に記載のドリフト・チャンバ。 １６．少なくとも一部の電極上の電圧を定義するための構成要素が、バイアス電 位源の両端間に接続された抵抗器の列であることを特徴とする請求項１５に記載 のドリフト・チャンバ。 １７．電子回路が基板を介して電極に電気的に接続されていることを特徴とする 請求項１３から１６のいずれか一項に記載のドリフト・チャンバ。 １８．電極が真ちゅうであることを特徴とする上記の請求項のいずれか一項に記 載のドリフト・チャンバ。 １９．一部の電極がスズで被覆されていることを特徴とする請求項１８に記載の ドリフト・チャンバ。 ２０．真ちゅう電極が金で被覆されていることを特徴とする請求項１８に記載の ドリフト・チャンバ。 ２１．上記の請求項のいずれか一項に記載のドリフト・チャンバを含むことを特 徴とするイオン移動度分光計。 ２２．添付の図面を参照して実質的に説明されたドリフト・チャンバ。