CN101471221A - 面阵离子存储系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种面阵离子存储系统和方法，该系统包括：离子产生部分；离子存储部分，包括：与离子产生部分电连接的第一端电极，形成为具有多个孔；第二端电极，形成为具有多个孔；中间电极，形成为具有多个孔；第一绝缘体，形成为环状，夹在第一端电极和中间电极之间，且使得二者绝缘；第二绝缘体，形成为环状，夹在中间电极和第二端电极之间，且使得二者绝缘。根据本发明，由于将离子存储部分作的比较薄，方便离子的引出的一致性，减小了离子迁移谱峰的展宽。另外，由于第一绝缘体和第二绝缘体具有一个大孔，离子在存储空间震荡或热运动的时候，避免了与两边的绝缘材料碰撞，从而防止造成电荷转移和绝缘体上的电荷堆积放电造成的存储不稳和离子损失。

Description

面阵离子存储系统和方法

技术领域

本发明涉及一种使用离子迁移技术检测毒品和爆炸物的探测装置的离子存储系统和方法，属于安全检测技术领域。

背景技术

离子迁移谱仪是根据不同离子在均匀弱电场下漂移速度的不同而实现对离子的分辨。离子存储的使用使离子迁移谱仪灵敏度达到皮克级左右，现有的离子存储例如美国专利5200614和中国专利200310106393.6都存在由于电场边界条件不好产生了离子损失。

质谱所采用的离子阱通常由两边的端电极和中间孔电极组成，调节两个端电极和中间孔电极上施加的电压来实现离子的存储和引出。接近质谱所采用的离子阱的美国专利6124592，所提供的单离子存储方法在大直径的电离区和迁移区情况下，由于要满足存储电势要求，存储区较大，离子推出所走的路程较长，所以要求较长的开门时间和较高的电压，且不同离子进入迁移区起点和不一致性较大。

另外，美国专利6933498提供的面阵存储提高了离子存储效率。但是，由于在端电极和和中间电极之间夹着带有与离子阱一一对应的孔的绝缘体，使得离子会与绝缘体碰撞而造成电荷转移和堆积然后放电，从而造成离子存储的不稳定，影响到灵敏度。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种离子迁移谱仪的面阵离子存储系统和方法，能够较好地提高灵敏度和分辨率。

在本发明的一个方面，提出了一种面阵离子存储系统，包括：离子产生部分；离子存储部分，包括：与离子产生部分电连接的第一端电极，形成为具有多个孔；第二端电极，形成为具有多个孔；中间电极，形成为具有多个孔；第一绝缘体，形成为环状，夹在第一端电极和中间电极之间，且使得二者绝缘；第二绝缘体，形成为环状，夹在中间电极和第二端电极之间，且使得二者绝缘。

优选地，所述中间电极的孔的直径D1是存储部分的厚度L2的1到2倍。

优选地， $D1=\sqrt{2}L2$ 。

优选地，所述离子产生部分包括以下至少之一：镍63、电晕放电源、激光、紫外光、X射线。

优选地，所述离子产生部分和所述第一端电极上施加第一电压，所述中间电极上施加第二电压，而所述第二端电极上施加固定电压。

优选地，该面阵离子存储系统还包括与所述第二端电极间隔开设置的多个环电极，其中所述多个环电极上施加均匀变化的电压。

优选地，所述第一电压和第二电压能够浮动并且它们之间存在电压差。

在本发明的另一方面，提出了一种用于面阵离子存储系统的方法，所述面阵离子存储系统包括：离子产生部分；离子存储部分，包括：与离子产生部分电连接的第一端电极，形成为具有多个孔；第二端电极，形成为具有多个孔；中间电极，形成为具有多个孔；第一绝缘体，形成为环状，夹在第一端电极和中间电极之间，且使得二者绝缘；第二绝缘体，形成为环状，夹在中间电极和第二端电极之间，且使得二者绝缘；所述方法包括：存储步骤，在所述离子产生部分和所述第一端电极上施加第一电压，所述中间电极上施加第二电压，所述第二电压为带有直流偏置的射频电压，而所述第二端电极上施加固定电压，所述第一电压和第二电压的直流偏置电压之间存在电压差，以在中间电极处形成存储离子的存储空间；引出步骤，改变第一电压和第二电压，以将存储在存储空间中的离子引出。

本发明由于采用上述方案，对于普通的离子迁移谱仪，在满足离子存储所要求的电压条件和在不降低存储效率的前提下，将离子存储部分作的比较薄，方便离子的引出的一致性，减小了离子迁移谱峰的展宽，对分辨率有益。

另外，由于第一绝缘体和第二绝缘体的绝缘材料形成为具有一个大孔，离子在存储空间震荡或热运动的时候，不能够与两边的绝缘材料碰撞，不会造成电荷转移和绝缘体上的电荷堆积放电造成的存储不稳和离子损失。

在离子存储阶段，所需收集的正或负离子在电场的作用下漂移到面阵存储部分的中间电极处，在此形成了多个无电场区即离子存储空间。在离子导出阶段，改变离子产生部分和面阵离子存储部分的一个端电极和中间电极的电压，将离子从存储区推到迁移区，随即整体电压恢复到存储状态。

附图说明

图1是根据本发明实施例的面阵离子存储系统的剖面示意图；

图2是如图1所示系统中的电离区和面阵存储区的剖面示意图；

图3A到图3F是如图2所示的电离区和面阵存储区的详细结构示意图；

图4是根据本发明实施例的系统在正离子模式时的各电极电势示意图；

图5是根据本发明实施例的系统在正离子模式时的各电极的电压随时间变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明既可工作在负离子模式也可工作在正离子模式，为方便起见，本文仅介绍正离子模式的情形。

参看图1和图2，根据本发明实施例的面阵离子存储系统包括依次排列的离子产生部分1、面阵存储部分2、一组环电极3、法拉第盘4等。

离子产生部分1是电离源，它可以为源如镍63、电晕放电、激光、紫外光、X射线等源。

如图2所示，离子产生部分1和面阵存储部分2做成一体，包含依次排列的形状如图3A所示的一网电极5，形状如图3B所示带有多个孔的第一端电极6，形状如图3C所示的第一环状绝缘体7，形状如图3D所示的带有多个孔的中间电极8，形状如图3E所示的第二环状绝缘体9，形状如图3F所示的带有多个孔的第二端电极10。

如图2和3所示，两个端电极6和10和中间电极8的上多个孔一一对应地设置，两个绝缘体7和9仅仅在外周部分将第一和第二端电极6和10与中间电极8隔开并且电绝缘，而第一和第二绝缘体7和9中的中间仅为一个大孔，从而形成环状绝缘体。这样，由于两边的绝缘材料为一个大孔，离子在存储空间震荡或热运动的时候，不能够与两边的绝缘材料碰撞，不会造成电荷转移和绝缘体上的电荷堆积放电造成的存储不稳和离子损失。

另外，离子产生部分1与面阵存储部分2的一侧机械并电性相连。离子存储部分2形成为比较薄的形式，方便离子的引出的一致性，减小了离子迁移谱峰的展宽。离子产生部分1和面阵存储部分2的第一端电极6、中间电极8加上的电压存在一定的电压差且可以浮动，面阵存储部分2的第二端电极10加上施加固定电压，而环电极3加上均匀递减的电压形成迁移区。

上述端电极中形成的孔的形状为最好圆孔，当然包含各种样式的孔，如六边形孔、方形孔等，最好满足D1等于1～2倍的L2，L2小于5mm，优选 $D1=\sqrt{2}L2$ ，其中D1为中间电极8的孔直径或者其他形状时的有效孔直径，L2为两片端电极6和10的间距，根据实际情况选择合适的L1和L2。

参看图2和图4，附图标记11表示离子产生部分1和第一端电极6上施加的电压，附图标记12表示中间电极8上所施加的射频电压的直流偏置，并且电压11和12能够浮动。另外，在第二端电极10加上固定电压13。第二端电极10和环电极3施加上均匀递减的电压14以形成迁移区。图4中所示的虚线为离子引出时各节点的电压，实线为存储阶段各节点的电压，实线14为迁移区各点电压，它在存储和引出时保持固定不变。

在离子存储阶段，在第一端电极6和第二端电极10上施加上相等的电压11，中间电极8上施加直流偏置电压比电压11低的射频电压12。这样，正离子将移动到形成的势阱12处进行存储，并且可以调节电压12的偏置电压、射频电压的频率和幅度形成合适的势阱深度。换言之，在离子存储阶段，所需收集的正或负离子在电场的作用下漂移到面阵存储部分2的中间电极8处，在此形成形成了多个无电场区即离子存储空间。

当将第一端电极6和中间电极8上所施加的电压11和12从实线提高到如虚线所示的电压时，并关掉12的射频电压成分，离子被导入到迁移区进行漂移、分辨，随后整体电压恢复到存储状态时的电压。

参看图5，附图标记15表示离子产生部分1和第一端电极6上所施加的电压随时间的变化波形，附图标记16表示中间电极8上施加的电压所时间的变化波形，附图标记17表示第二端电极10上所施加的电压随时间变化的波形。

在存储阶段时，离子产生部分1和第一端电极6上所施加的电压15和第二端电极10上所施加的电压17相等并高于中间电极8上施加的电压16，图5右上角的放大图表示直流偏置电压所叠加的射频波形，可以是方波、正弦波、锯齿波等，离子在中间电极8的多个零电场区进行存储。

在离子引出阶段，离子产生部分1和第一端电极6上施加的电压15和中间电极8上所施加的电压16均高于第二端电极10上施加的电压17，且此时电压16去掉了交流分量，离子被推出存储区进入迁移区。

本发明由于采用上述方案，对于普通的离子迁移谱仪，在满足离子存储所要求的电压条件以及在不降低存储效率的前提下，将离子存储部分作的比较薄，方便离子的引出的一致性，减小了离子迁移谱峰的展宽，对分辨率有益。

另外，由于第一绝缘体7和第二绝缘体9的绝缘材料具有方便离子运动的大孔，使得离子在存储空间震荡或热运动的时候，不能够与两边的绝缘材料碰撞，因而不会造成电荷转移和绝缘体上的电荷堆积放电造成的存储不稳和离子损失。

在离子存储阶段，要收集的正或负离子在电场的作用下漂移到面阵存储部分2的中间电极8处，在此形成了多个无电场区即离子存储空间。在离子导出阶段，改变离子产生部分1和面阵离子存储部分2的第一端电极6的电压和中间电极8的电压，将离子从存储区推到迁移区，随即整体电压恢复到存储状态。

要说明的是，以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1、一种面阵离子存储系统，包括：

离子产生部分(1)；

离子存储部分(2)，包括：

与离子产生部分(1)电连接的第一端电极(6)，形成为具有多个孔；

第二端电极(10)，形成为具有多个孔；

中间电极(8)，形成为具有多个孔；

第一绝缘体(7)，形成为环状，夹在第一端电极(6)和中间电极(8)之间，且使得二者绝缘；

第二绝缘体(9)，形成为环状，夹在中间电极(8)和第二端电极(10)之间，且使得二者绝缘。

2、如权利要求1所述的面阵离子存储系统，其中所述中间电极(8)的孔的直径D1是两端电极间距L2的1到2倍。

3、如权利要求2所述的面阵离子存储系统，其中 $D1=\sqrt{2}L2$ 。

4、如权利要求1所述的面阵离子存储系统，其中所述离子产生部分(1)包括以下至少之一：镍63、电晕放电源、激光、紫外光、X射线。

5、如权利要求1所述的面阵离子存储系统，其中所述离子产生部分(1)和所述第一端电极(6)上施加第一电压，所述中间电极(8)上施加第二电压，而所述第二端电极(10)上施加固定电压。

6、如权利要求5所述的面阵离子存储系统，还包括与所述第二端电极(10)间隔开设置的多个环电极(3)，其中所述多个环电极(3)上施加均匀变化的电压。

7、如权利要求5所述的面阵离子存储系统，其中所述第一电压和第二电压能够浮动并且它们之间存在电压差。

8、一种用于面阵离子存储系统的方法，所述面阵离子存储系统包括：

离子产生部分(1)；

离子存储部分(2)，包括：

与离子产生部分(1)电连接的第一端电极(6)，形成为具有多个孔；

第二端电极(10)，形成为具有多个孔；

中间电极(8)，形成为具有多个孔；

第一绝缘体(7)，形成为环状，夹在第一端电极(6)和中间电极(8)之间，且使得二者绝缘；

第二绝缘体(9)，形成为环状，夹在中间电极(8)和第二端电极(10)之间，且使得二者绝缘；

所述方法包括：

存储步骤，在所述离子产生部分(1)和所述第一端电极(6)上施加第一电压，所述中间电极(8)上施加第二电压，所述第二电压为带有直流偏置的射频电压，而所述第二端电极(10)上施加固定电压，所述第一电压和第二电压的直流偏置电压之间存在电压差，以在中间电极(8)处形成存储离子的存储空间；

引出步骤，改变第一电压和第二电压，以将存储在存储空间中的离子引出。

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