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xaseiresh 2024-08-14 12:43:06 +02:00 • committed by David Bailey
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Corrections/D_Bailey_Masterarbeit_2024_07_22_JW.pdf Normal file
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TeX/Kapitel/Einleitung.tex
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@ -5,7 +5,7 @@
Die Analyse von Gasgemischen findet in vielen Bereichen der Industrie- und Medizintechnik Anwendung. Mitunter geht es um medizinisch wichtige Daten wie die Überwachung des Metabolismus eines Patienten, oder um sicherheitsrelevante Messungen wie die Überprüfung einer Stoffprobe auf explosive Stoffe.
Von Vorteil sind hierbei sowohl schnelle als auch sensitive Messungen, um Zuverlässig auf gegebene Zustandsänderungen reagieren zu können.\\
Eine der Methoden dieser Analyse bietet die Ionenmobilitätsspektrometrie (im Folgenden hier IMS) an. Die IMS nutzt die variablen Ionisierbarkeiten und Mobilitäten von Molekülen in einem Gas aus um diese zu trennen und zu vermessen. Durch diese Funktionsweise können Messungen innerhalb weniger Minuten bis Sekunden durchgeführt werden, wobei Stoffkonzentrationen von \todo[inline]{Add concentration here} festgestellt werden können.
Eine der Methoden dieser Analyse bietet das Ionenmobilitätsspektrometer (im Folgenden hier IMS) an. Das IMS nutzt die variablen Ionisierbarkeiten und Mobilitäten von Molekülen in einem Gas aus um diese zu trennen und zu vermessen. Durch diese Funktionsweise können Messungen innerhalb weniger Minuten bis Sekunden durchgeführt werden, wobei Stoffkonzentrationen von \todo[inline]{Add concentration here} festgestellt werden können.
Ein zentraler Bestandteil des Aufbaus eines IMS ist nun der Transimpedanzverstärker (im Folgenden hier TIV). Dieses Element befasst sich mit der Umwandlung der zu messenden Ionen in ein Spannungssignal, welche von der Ausleseleketronik verarbeitet werden können. Somit bestimmt die Qualität und Sensitivität des TIV maßgeblich die Datenerfassung des IMS insgesamt.
Von relevanz sind hier verschiedene Parameter wie z.B. Bandbreite, Rauschverhalten und Verstärkung, welche auf den jeweiligen Anwendungsbereich des IMS angepasst werden müssen.

85
TeX/Kapitel/Grundlagen.tex
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@ -5,7 +5,7 @@ Dieses Kapitel stellt grundegende technische Details für diese Arbeit dar.
Die Funktionsweise eines IMS wird näher beschrieben und die Rolle des TIVs in diesem System charakterisiert.
Ebenfalls werden Eigenschaften relevanter elektrischer Bauteile beschrieben.
\section{Grundlagen eines IMS}
\section{Grundlagen des Ionenmobilitätsspektrometers}
Im Folgenden werden die
Funktionsweise und Relevanz der Ionenmobilitätsspektrometrie
@ -17,22 +17,13 @@ stellen zu können, sowie um später die Betriebsparameter dessen festlegen zu k
\subsection{Anwendungsgebiete eines IMS}
Im Folgenden soll auf die Relevanz und den Anwendungsbereich
der Ionenspektrometrie eingegangen werden, um darzulegen
dass die Technologie breite praktische Anwendungen findet.
Ein IMS bietet im Vergleich zu anderen Gasanalyseverfahren
wie z.B. einem Massenspektrometer folgende Vorteile \cite{Eiceman2013Oct}:
Im Folgenden soll auf die Relevanz und den Anwendungsbereich von Ionenmobilitätsspektrometern eingegangen werden, um dar zu legen dass die Technologie breite praktische Anwendungen findet. Ein IMS bietet im Vergleich zu anderen Gasanalyseverfahren wie z.B. einem Massenspektrometer folgende Vorteile \cite{Eiceman2013Oct}:
\begin{itemize}
\item Kostengünstig: Ein IMS kann mitunter für wenige hundert Euro aufgebaut werden \cite{Reinecke2018Oct},
wodurch diese leichter in größeren Mengen aufgebaut werden können.
\item Simpler, kompakter Aufbau: Ein IMS kann unter atmosphärischem Druck betrieben
werden und braucht somit kein Vakuum-Equipment. Hierdurch sind die Systeme
wesentlich transportabler als z.B. Massenspektrometer.
\item Schnelle Messungen: Messungen mit einem IMS können bis hinunter auf wenige
Sekunden dauern. Hierdurch lassen sich schnell wichtige Messwerte erfassen.
\item Hohe Sensitivität: Ein IMS kann Stoffkonzentrationen im unteren ppb messen,
wodurch auch kleinste Mengen eines Stoffes sicher bestimmt werden können.
\item Kostengünstig. Ein IMS kann mitunter für wenige hundert Euro aufgebaut werden\cite{Reinecke2018Oct}, wodurch sie leichter in größeren Mengen aufgebaut werden können.
\item Simpler, kompakter Aufbau. Ein IMS kann unter atmosphärischem Druck betrieben werden, und braucht somit kein Vakuum-Equipment. Hierdurch sind die Systeme wesentlich transportabler als z.B. Massenspektrometer.
\item Schnelle Messungen. Messungen mit einem IMS können bis hinunter auf wenige zehntel von Sekunden dauern. Hierdurch lassen sich schnell wichtige Messwerte erfassen.
\item Hohe Sensitivität. Ein IMS kann Stoffkonzentrationen im unteren ppb messen, wodurch auch kleinste Mengen eines Stoffes sicher bestimmt werden können.
\end{itemize}
Hierdurch gibt es viele Anwendungsgebiete für ein IMS, mitunter in der
@ -45,12 +36,13 @@ Arbeitsfeldern, und eine Weiterentwicklung der Technologie kann ebenso breit gef
\subsection{Funktionsweise eines IMS}
\label{chap:function_description_ims}
Das Buch ``Ion Mobility Spectrometry'' beschreibt die Ionenmobilitätsspektrometrie folgend \cite[Seite 1]{Eiceman2013Oct}:
Der Author Eiceman beschreibt im Buch ``Ion Mobility Spectrometry'' die Ionenmobilitätsspektrometrie folgend:
\begin{quote}
Der Term Ionen Mobilitäts Spektrometrie (IMS) beschreibt die Prinzipien, Methoden und Instrumente zur Charakterisierung von Substanzen anhand der Geschwindigkeit von Gruppen (definiert als Gruppen von gasförmigen Ionen) entnommen von einer Substanz, in einem elektrischen Feld und einem Trägergas.
``Der Term Ionen Mobilitäts Spektrometrie (IMS) beschreibt die Prinzipien, Methoden und Instrumente zur Charakterisierung von Substanzen anhand der Geschwindigkeit von Gruppen (definiert als Gruppen von gasförmigen Ionen) entnommen von einer Substanz, in einem elektrischen Feld und einem Driftgas.'' \cite[S.S. 1]{Eiceman2013Oct}
\end{quote}
Ein IMS-System analysiert somit Gase, in dem eine Gasprobe ionisiert wird, und mithilfe verschiedener Methodiken in diskrete Gruppen aufgespalten wird. Der Ablauf dieses Vorganges ist grundsätzlich wie folgt \cite[Seite 4]{Eiceman2013Oct}:
Ein IMS-System analysiert somit Gase, indem eine Gasprobe ionisiert
wird und mithilfe eines Trägergases und eines elektrischen Feldes
in diskrete Gruppen aufgespalten wird. Der Ablauf dieses Vorganges
@ -58,14 +50,13 @@ ist grundsätzlich wie folgt \cite[S.S. 4]{Eiceman2013Oct}:
\begin{enumerate}
\item Ein Probengas wird mit einer prozessspezifischen Ionenquelle ionisiert.
\item Ein diskretes Paket dieses ionisierten Gases wird in eine Drift-Region injeziert,
welche mit einem inerten Trägergas gefüllt ist und über welcher eine Spannung anliegt.
\item Die angelegte Spannung beschleunigt die ionisierten Moleküle des Gaspaketes.
Hierbei wird das Probegas in seine Bestandteile aufgespalten, da verschiedene
Moleküle durch unterschiedliches Gewicht oder Ladung sich verschieden
schnell durch die Drift-Region bewegen.
\item Die nun zeitlich aufgespaltenen Ionen-Pakete werden durch einen Detektor aufgefangen. Typischerweise ist dies eine Faraday-Platte. Hierdurch entsteht ein Stromfluss proportional zur Menge der Ionen.
\item Ein Verstärker wandelt diese Ströme in messbare Spannungen um, welche von der Sensorelektronik aufgenommen und verarbeitet werden.
\item Ein diskretes Paket des ionisierten Probengases wird in eine Drift-Region injeziert, welche mit einem Driftgas gefüllt ist und über welche eine Spannung anliegt. Die Auswahl des Driftgases sowie die Amplitude,
Richtung und eventuell Frequenz der Spannung beeinflussen hierbei das Verhalten der Ionenpackete des Probengases.
\item Die angelegte Spannung beschleunigt die ionisierten Moleküle des Probengases.
Hierbei werden verschiedene Ionen durch ihre unterschiedlichen Interaktionen mit dem Driftgas sowie
des Feldes der Drift-Region voneinander getrennt.
\item Die nun zeitlich getrennten Ionen-Pakete werden durch einen Detektor aufgefangen. Typischerweise ist dies eine Faraday-Platte. Hierdurch entsteht ein Stromfluss proportional zur Menge der Ionen.
\item Ein Verstärker wandelt diese Ströme in messbare Spannungen um, welche digitalisiert und verarbeitet werden können.
\end{enumerate}
Ein typischer Aufbau eines IMS ist in Abbildung \ref{fig:IMS_Schematic} dargestellt.
@ -76,11 +67,7 @@ Ein typischer Aufbau eines IMS ist in Abbildung \ref{fig:IMS_Schematic} dargeste
\caption[Schematischer Aufbau einer IMS-Röhre]{\label{fig:IMS_Schematic}Schematischer Aufbau einer IMS-Röhre nach \cite[Seite 3, Abb. 1.2.b]{Eiceman2013Oct}}
\end{figure}
Das Messergebnis eines IMS-Laufes wird als Spektrum bezeichnet
und wird meist als Strom über die Zeit dargestellt.
In dieser Darstellung sind die verschiedenen Ionenpakete
als Spitzen des Graphen zu erkennen.
Abbildung \ref{fig:ims_example_spectrum} stellt beispielhalf ein solches Spektrum dar.
Das Messergebnis eines IMS-Laufes wird as Spektrum bezeichnet, und ist meist als Strom über die Zeit dargestellt. In dieser Darstellung sind die verschiedenen Ionenpakete als Spitzen des Graphen zu erkennen. Abbildung \ref{fig:ims_example_spectrum} stellt beispielhalf ein solches Spektrum dar.
\begin{figure}[h]
\centering
@ -89,26 +76,29 @@ Abbildung \ref{fig:ims_example_spectrum} stellt beispielhalf ein solches Spektru
\end{figure}
\FloatBarrier
\subsubsection{Aufgabe eines TIV im IMS}
\label{chap:tia_in_ims}
Wie in Kapitel \ref{chap:function_description_ims} beschrieben,
beruht ein IMS auf der Messung der diskreten Ionenpakete,
deren zeitlicher Versatz und Größe. Um die kleinen Ströme der
Ione im Bereich von $\SI{100}{\pico\ampere}$ bis $\SI{10}{\nano\ampere}$ messen zu können,
ist ein Verstärker notwendig. Dieser Verstärker wird als sog.
TIV bezeichnet, da er als Eingangsgröße einen
Strom hat, und eine Spannung als Ausgang gibt. Die Verstärkung wird
somit in Ohm angegeben. Der TIV stellt hiermit ein zentrales Bauteil
eines IMS dar, dessen Parameter maßgeblich die Qualität der Messungen beeinflusst.
Wie in Kapitel \ref{chap:function_description_ims} beschrieben, beruht ein IMS auf der Messung der von den Ionenpacketen hervorgerufenen Ströme, und deren zeitlicher Verteilung.
Um die kleinen Ströme der Ione im Bereich von $\SI{1}{\pico\ampere}$ bis $\SI{10}{\nano\ampere}$ messen zu können, ist ein Verstärker notwendig. Dieser Verstärker wird als TIV bezeichnet, da er als Eingangsgröße einen Strom hat, und eine Spannung als Ausgang gibt. Die Verstärkung wird somit in Ohm angegeben. Der TIV stellt hiermit ein zentrales Bauteil eines IMS dar, dessen Parameter maßgeblich die Qualität der Messungen beeinflusst.
Folgende Anforderungen werden an den TIV eines IMS gestellt:
\begin{itemize}
\item Möglichst Stör- und Leckfreier Messeingang
\item Verstärkung von Strömen in der Größenordnung von $\SI{1}{\nano\ampere}$
\item Bereitstellung einer messbaren Spannung im Bereich von $\SI{1}{\volt}$
\item Genügend Bandbreite zur korrekten Abbildung der Spitzen der Ionenpakete
\item Möglichst geringes eingangsbezogenes Rauschen. Das Rauschen des TIVs
beeinflusst das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis, woraus sich z.B.
die Reaktionsgeschwindigkeit und Detektionsgrenzen ergeben. Ein kleineres
Rauschen erlaubt die Erkennung kleinerer Ionenströme mit größerer Sicherheit.
\item Verstärkung von Strömen in der Größenordnung von $\SI{1}{\pico\ampere}$
bis zu $\SI{1}{\nano\ampere}$. Die genaue Größe des Stromes ergibt sich durch
den Aufbau des IMS selbst.
\item Bereitstellung einer Ausgangsspannung im Bereich von $\SI{\pm2}{\volt}$.
Da der Ausgang des TIVs zur digitalisierung des Signales genutzt wird, ist eine
Ausgangsspannung gewünscht, welche mit herkömmlichen Analog-Digital-Wandlern kompatibel ist.
\item Genügend Bandbreite zur korrekten Abbildung der Ionenströme. Eine zu kleine Bandbreite
verzerrt die Form des gemessenen Ionenstromes, und verschlechtert die Qualität der Messung.
Schnellere Bandbreiten erlauben die Messung schnellerer Signale, und somit auch kleinerer
Ionenpackete.
\end{itemize}
\cleardoublepage
@ -119,8 +109,8 @@ Nun soll auf die parasitären Effekte der verschiedenen Bauteile eingegangen wer
bei der Auslegung der Schaltung beachtet werden müssen.
\paragraph*{Leckströme:} Diese treten bei fast allen Schaltungsaufbauten auf.
Sie entstehen durch die hohen aber endlichen Oberflächenwiderstände des
PCB-Materials sowie durch durch Verunreinigungen. Diese erlauben
Sie entstehen durch die hohen aber endlichen Oberflächenwiderstände der Bauteile
und des PCBs sowie durch durch Verunreinigungen. Diese erlauben
es kleinen Leckströmen zwischen Zweigen der Schaltung zu fließen,
und können bei Zweigen mit hoher Impedanz störend wirken.
Abbildung \ref{fig:example_leakages} zeigt beispielhaft einige der Leckströme auf
@ -137,6 +127,7 @@ einer Platine. \todo{Find a citation for this}
können zudem auch durch Oberflächenladungen in einem Isolator wie dem PCB-Lötstopplack entstehen.
Eigene Darstellung nach ???.}
\end{figure}
\todo{Add labelling here, I guess?}
\todo{Find a citation}
\paragraph*{Parasitäre Kapazitäten:}
@ -145,7 +136,7 @@ Diese entstehen ebenfalls durch den physikalischen
Aufbau der Schaltung. Die Nähe von Leitungen oder Kontakten zueinander,
oder zu einer Kupferebene wie z.B. der Erdungsebene, erstellt eine leichte
kapazitive Kopplung hierzwischen. Dieser Effekt verursacht Kapazitäten
von $\SI{10}{\femto\farad}$ bis hin zu einigen $\SI{}{\pico\farad}$.
im Bereich von einigen $\SI{}{\pico\farad}$.
Abbildung \ref{fig:example_parasitic_c} zeigt einige dieser Kapazitäten auf.
\begin{figure}[h]

2
TeX/config/Konfiguration.tex
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@ -30,7 +30,7 @@
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Literaturverzeichnis
\bibliographystyle{plain} %Literaturangaben nach Erscheinen im Text sortiert, "DIN 1505 Teil 2"
\bibliographystyle{unsrt} %Literaturangaben nach Erscheinen im Text sortiert, "DIN 1505 Teil 2"
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Zusätzliche Worttrennungen

2
TeX/config/Pakete.tex
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@ -73,7 +73,7 @@
\usepackage{listings} % Paket für Quelltexte
\usepackage{pdfpages}
\usepackage{import} % Erlaubt relative Pfadangaben
\usepackage[output-decimal-marker={,}]{siunitx} % Paket für Einheiten
\usepackage[output-decimal-marker={,},number-unit-product={~}]{siunitx} % Paket für Einheiten
\usepackage{xfrac}
\DeclareSIUnit \var {var}