Baukleines Hochdruck-Massenspektrometer mit Funktion als lonenmobilitätsspektrometer zur schnellen Gefahr- und Sprengstoffdetektion (HiP-MS-PRO)

Aufgabenstellung und wissenschaftlich-technischer Stand

Im Fokus von HiP-MS-PRO stand die Entwicklung eines neuen Messsystems zur zuverlässigen und sensitiven Detektion von Gefahr- und Sprengstoffen. Es stellt das Folgeprojekt zum ebenfalls vom BMBF geförderten Projekt Baukleines Hochdruck-Massenspektrometer zur schnellen und sicheren Spreng- und Gefahrstoffdetektion (HiP-MS) dar und zielte vor allem darauf ab, die Arbeiten aus dem ersten Projekt weiter in Richtung Anwendung zu erforschen.

Die Messsysteme aus dieser Projektreihe basieren auf der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS), die häufig im Bereich von Gefahr- und Sprengstoffdetektion eingesetzt wird, z.B. an Flughäfen oder beim Zoll. Hierbei werden gasförmige Proben in einer Ionenquelle über Reaktantionen ionisiert und die erzeugten Analytionen in eine Driftröhre eingebracht. Durch die analytspezifischen Wechselwirkungen zwischen den Ionen und dem in der Driftröhre befindlichen Driftgas, werden verschiedene Analyten auf ihrem Weg durch die Driftröhre ähnlich zur Chromatographie oder Flugzeit-Massenspektrometrie getrennt und können so zeitlich nacheinander am Detektor gemessen werden (Spektrum). Die Mobilität der Analytionen ist hierbei ein spezifischer Parameter, der eine Zuordnung zwischen dem zeitlich gemessenen Signal (Peak) und einer Substanz erlaubt. Dadurch ist die IMS im Prinzip in der Lage, viele verschiedene Gefahrstoffe zu unterscheiden und zuverlässig zu detektieren. Außerdem stellen die guten Nachweisgrenzen der Technologie einen besonderen Vorteil gegenüber anderen Messtechnologien dar.

Im Vorgängerprojekt wurde eine spezielle Form der IMS, das HiKE-IMS, erstmals zu diesem Zwecke eingesetzt. Dieses bietet gegenüber der konventionellen IMS wesentliche Vorteile, wie die deutlich verringerte Abhängigkeit von der Luftfeuchte, ein breiteres detektierbares Substanzspektrum sowie generell eine höhere Selektivität. Zugleich bringt diese neue Technologie aber eine erhöhte technische Komplexität mit sich, sodass die Hauptaufgabe dieses Projektes darin lag, kompaktere, robustere und leichter zu bedienende Demonstratoren für erste Anwendungsszenarien zu entwickeln. Das Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik an der Leibniz Universität Hannover (LUH) beschäftigte sich hierbei insbesondere mit der Entwicklung einer stabil laufenden Koronaentladungsquelle, der Miniaturisierung der Elektronik sowie der Vereinfachung der Regel- und Messsoftware.

Ablauf des Vorhabens

In der ersten Projektphase wurde vor allem die Entwicklung einer stabil laufenden Koronaent-ladungsquelle bearbeitet. Hierzu wurden ein Versuchsstand und mehrere Quellengeometrien konzipiert, aufgebaut, hinsichtlich Ionenstrom und Stabilität untersucht und letztlich ein geeignetes Konzept für den Aufbau eines ersten Demonstrators zusammen mit dem Partner AIR festgelegt und umgesetzt. Anhand erster Anwendertests wurde allerdings die Notwendigkeit für ein neues Vakuummodul klar, welches sodann an der LUH entwickelt wurde. Zum Projektende wurde der Fokus auf die Weiterentwicklung diverser Software-Komponenten gelegt, insbesondere auf die interne Steuer- und Regelungssoftware sowie die Bedien- und Auswertesoftware. Weitere Anwendertests brachten erneut wichtige Erkenntnisse, die ein weiteres Finetuning der Softwarekomponenten ermöglichte.

Wesentliche Ergebnisse

Die intensiven Forschungsarbeiten zur Stabilität von Koronaentladungsquellen in verschiedenen Ausführungsformen zeigten zunächst die große Komplexität dieser wichtigen Komponente, insbesondere da ein Konzept für unterschiedliche Feldstärken, Betriebsdrücke und für beide Ionenpolaritäten benötigt wurde. Während die Koronaentladung in positiver Ionenpolarität stabil betrieben werden konnte, traten in der negativen Ionenpolarität häufig Durchschläge und Instabilitäten auf, auch für verschiedene Geometrien. Die aufwendigen Tests und durchgeführten Feldsimulationen wiesen schlussendlich den Weg, eine stabile Entladung auch in negativer Polarität zu erzeugen. Hierbei waren vor allem der Nadel-Gitter-Abstand sowie die Feldinhomogenität in der Koronaentladungsquelle entscheidend. Mit diesen Erkenntnissen konnten die ersten HiP-MS-PRO Demonstratoren aufgebaut und den Kooperationspartnern für weitere Tests übergeben werden.

Während der Projektlaufzeit wurden zudem verschiedene Elektronikkomponenten durch die LUH verbessert und weiter miniaturisiert. So war es zum Bespiel nötigt, eine automatische und genaue Regelung des Betriebsdruckes zu realisieren. So wurde der finale Demonstrator mit einem neuartigen Vakuummodul der LUH ausgestattet, welches den Betriebsdruck auf 0,05 mbar einstellen und automatisch halten kann. Insgesamt konnten die Größe und das Gewicht des Demonstrators durch verschiedene Maßnahmen reduziert werden.

Für die leichtere Bedienbarkeit wurden einige wichtige Neuerungen in die Betriebs- und Messsoftware implementiert. Hier sei insbesondere die Bedienbarkeit des Systems in verschiedenen Messmodi erwähnt, zwischen welchen der Anwender per Knopfdruck umschalten kann. Für jeden Messmodi konnte in Kooperation mit den Partnern AIR und WIS eine Datenbank experimentell aufgenommen werden, die zur automatisierten Identifizierung und Quantifizierung der Messspektren dient. Hierfür wurde ebenfalls neuartige Software entwickelt, welche letztlich das gemessene Spektrum im live-Messbetrieb mit den Auswertedaten annotiert. D.h., ein gefundener Signalpeak wird direkt mit der identifizierten Substanz in der gemessenen Konzentration beschriftet, was in der Anwendung eine schnelle Interpretation der Messergebnisse ermöglicht. Die Einführung verschiedener Messmodi sorgt zudem dafür, dass Querempfindlichkeiten fast gänzlich ausgeschlossen werden können und somit die falsch-positiven Alarme signifikant reduziert werden. Damit stellt das HiP-MS-PRO, basierend auf der HiKE-IMS-Technologie, einen wichtigen technologischen Fortschritt bei der Detektion von Gefahr- und Sprengstoffen dar.