JP3546245B2 - ドリフト・チャンバ - Google Patents

Description

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・チャンバ用の多様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、一連の様々な型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、同じフイ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2e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、最少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54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22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 (21)

1. イオン移動度分光計に使用するためのイオンドリフト・チャンバであって、該イオンドリフト・チャンバは外被を含み、前記外被はプレーナ絶縁基板を含み、前記基板の平面から、イオンドリフト・チャンバの軸に沿って、電界を発生する複数の導電性電極が取り付けられていることを特徴とするイオンドリフト・チャンバ。
2. 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に記載のイオンドリフト・チャンバ。
3. 外被が矩形であることを特徴とする請求項２に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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イオンドリフト・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請求項１から５のいずれか一項に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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請求項１から８のいずれか一項に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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イオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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イオンドリフト・チャンバ。
18. 電極が真ちゅうであることを特徴とする請求項１から17のいずれか一項に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・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に記載のイオンドリフト・チャンバ。
21. 請求項１から20のいずれか一項に記載のイオンドリフト・チャンバを含むことを特徴とするイオン移動度分光計。

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