CN101915801A

CN101915801A - 一种离子化气体探测装置

Info

Publication number: CN101915801A
Application number: CN 201010235139
Authority: CN
Inventors: 钟其水; 何柳; 魏季水
Original assignee: CHENGDU ACTION ELECTRONICS JOINT-STOCK Co Ltd
Current assignee: CHENGDU ACTION ELECTRONICS JOINT-STOCK Co Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: CN101915801B

Abstract

本发明涉及痕量物质探测技术。本发明公开了一种离子化气体探测装置，采用开放式电晕放电的离子发生器，以提高离子发生器性能。本发明的技术方案是，一种离子化气体探测装置，包括：离子发生器，产生用于探测的离子；离子过滤器，用于产生电场，阻止非探测离子通过，让探测离子通过；离子探测器，用于检测穿过离子过滤器的离子；所述离子发生器由一矩形金属盒构成，所述矩形金属盒置于样品气流和载气流的通道中，使样品气流和载气流分别从所述矩形金属盒两侧通过，所述矩形金属盒有一面为开口面，所述开口面朝向样品气流；所述金属盒内置放电针，通过放电针与金属盒之间的放电对样品气流进行电离。本发明可用于小型化气体探测装置。

Description

一种离子化气体探测装置

技术领域

本发明涉及痕量物质探测技术，特别涉及一种利用高场非对称波形离子迁移过滤器进行离子过滤的离子化气体检测装置。

背景技术

二次世界大战中，剧毒性神经毒剂在战场上的出现，造成了人员和动物的大量的死亡。近年来，随着恐怖主义的猖獗、爆炸物、毒品等物质的气相检测变来越重要。从而世界上很多国家全力研制并逐步装备先进的生化检测设备，用于检测地面、武器装备、空气、水源中的化学战剂。但是目前的检测装置都存在的一些缺点：设备庞大、成本高、机动性差、检测时间长等，难以满足实际的应用。而高场非对称波形离子迁移谱具有设备小，灵敏度高，检测时间短的优点。

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)最早是前苏联在上个世纪80年代开始研制的。FAMIS高的选择性和性噪比引起了一些研究人员的注意，但由于起技术的应用还不成熟，存在很多的缺点，如功率大，测量时间长等。

近年来，美国的Sionex公司和加拿大的lonalytics公司一直在对FAIMS小型化进行研究，并取得了一些有效成果。Sionex公司主要研究平板型的微型离子迁移管，该公司重要研究人员拉安安A米勒等人在中国申请了相关发明专利(公开号：CN1390361A；公开日：2003.01.08)。

lonalytics公司主要是研究圆柱型微型离子迁移管。最近几年国内一些学者在这方面的做了些研究，但实际产品至今没有出现。经常用的是能够集成于小型装置里的离化源有低能β源，真空紫外灯，电晕放电、表面离化源。但这种装置存在着安全问题，并且离化率低。高场非对称波形离子迁移过滤器，对离子探测设备的小型化具有重要作用，下面简单介绍其工作原理。

在低电场时，离子的迁移率是与电场无关的。当电场强度超过11000V/cm以上时，离子的迁移率就会发生变化，并以一种非线性的方式随电场强度发生变化。这种变化如图1所示。图中a是离子的迁移率系数。当a＞0时离子的迁移率是随电场的增加而增加，当电场增加到一定值时，迁移率反而减小；当a＝0时，离子的迁移率系数不变；当a＜0时，离子的迁移率随电场的增加有一定的减小。把一个高频且振幅不对称波形电压V_rf施加在一对电极板上(产生的电场记为E_rf)，当有气流携带离子通过时，离子就会受电场力的作用。对a＞0，a＜0，a＝0三种不同离子在电极板之间的运动曲线图2所示。

在射频电场V_rf的每个周期内，离子都向上部电极(或下部电极)有一个净位移。若与射频电压同时加在电极板上的还有一个直流补偿电压V_cv(其产生的电场记为E_cv，且-1000V/cm＜E_cv＜+1000V/cm)，它产生离子净位移方向相反的电场力。在射频电场E_rf和直流电场E_cv的作用下，特定种类的离子的运动轨迹不会发生偏转，可以穿过两电极板之间的区域(迁移区)到达探测电极被检测到，而不会被撞击到电极板上。其他离子则会与电极板发生碰撞，被中和后由载气流带出迁移区。

每种离子都有各自特定的这种直流电压使其通过迁移区，其对应的直流电压称为补偿电压。在一定范围内对V_cv进行扫描，可以对离子的种类进行表征，得到存在于样品气流中的离子的迁移谱图。样品气流进入离子发生器，样品就被电离成离子状态，再经过由高频且振幅不对称波形电压和直流电压的一对电极板组成的离子过滤器过滤后，样品离子被筛选出来，最后送到离子探测器被检测出来。

现有技术基于高场非对称波形离子迁移过滤器的离子检测装置存在的主要问题是：

1、随着探测装置的小型化发展，要求离子发生器的体积要小，其离化效率要高、工作应稳定可靠，现有技术的离子发生器达不到要求；

2、随着探测装置的小型化发展，装置中各种电极距离越来越近，其相互干扰成为影响装置工作稳定性的重要因数，特别是采用电晕放电的离子发生器对射频电场的干扰、射频电场对探测电极的干扰等都将严重影响探测装置的分辨率和可靠性，现有技术没有很好的解决这些问题；

3、由于离子发生器不可能将样品分子全部电离，带电离子在迁移区与中性分子发生反应，进一步降低了电离效率，并对探测装置的分辨率产生不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的缺点，提供一种离子化气体探测装置，采用矩形结构的开放式电晕放电离子发生器，以提高离子发生器性能。

本发明还解决了带电离子在迁移区与中性分子发生反应的问题。

本发明并且解决了离子发生器、射频电场、探测电极之间的相互干扰问题。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种离子化气体探测装置，包括：

离子发生器，产生用于探测的离子；

离子过滤器，用于产生电场，阻止非探测离子通过，让探测离子通过；

离子探测器，用于检测穿过离子过滤器的离子；

其特征在于：

所述离子发生器由一矩形金属盒构成，所述矩形金属盒置于样品气流和载气流的通道中，使样品气流和载气流分别从所述矩形金属盒两侧通过，所述矩形金属盒有一面为开口面，所述开口面朝向样品气流；所述金属盒内置放电针，通过放电针与金属盒之间的放电对样品气流进行电离。

进一步的：在样品气流和载气流进入离子过滤器的通道上设置有分离电极，所述分离电极用于产生电场，分离被电离了的带电离子和未电离的中性分子。

进一步的：所述分离电极与离子过滤器之间设置有第一屏蔽电极，所述第一屏蔽电极用于屏蔽分离电极产生的电场对离子过滤器的干扰。

具体的：所述离子过滤器为高场非对称波形离子迁移过滤器。

更进一步的：在离子过滤器与离子探测器之间设置有第二屏蔽电极，所述第二屏蔽电极用于屏蔽离子过滤器对离子探测器的干扰。

更具体的：所述离子过滤器由断面为矩形的四棱柱及电极板构成。

本发明的有益效果是，本发明的矩形结构的离子发生器，采用电晕放电，具有体积小、结构简单、工作稳定的特点；本发明进一步的技术方案解决了中性分子与带电离子的分离，避免离子在迁移区与中性分子发生反应，进一步提高了迁移区的离子浓度，有利于提高分辨率；本发明还实现了高场非对称波形离子迁移过滤器电极板与分离电极和探测电极的屏蔽作用，降低了各个电极之间的相互干扰；本发明可以通过调节载气流速和样品气流流速调节离子在迁移区中的速度，达到最佳的探测效果。

附图说明

图1是不同a的离子在高电场中迁移率关系示意图；

图2是不同a的离子在射频电场和直流补偿电场作用下的运动轨迹示意图；

图3是本发明实施例的示意图；

图4是离子发生器结构示意图；

图5是过滤电极结构示意图；

图6是四棱柱型离子过滤器示意图。

图中：1-载气流；2-分离电极；3第一屏蔽电极；4-第二屏蔽电极；5-过滤电极；6-探测电极；7-样品气流采集装置；8-控制系统；9-金属盒；91-放电针；13-气泵；15-第三屏蔽电极；17-样品气流。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

参见图3和图4，本发明的离子化气体探测装置，包括：离子发生器、离子过滤器和离子探测器。其中离子发生器由一矩形金属盒9构成，矩形金属盒9置于样品气流17和载气流1的通道中，样品气流17和载气流1分别从矩形金属盒9两侧通过，样品气流17从金属盒9的上面通过，金属盒9的上面为开口面，该开口面朝向样品气流17。本发明的矩形金属盒9既作为离子发生器也用于隔离样品气流17和载气流1，使样品气流17和载气流1在电离前不会混合，可以提高探测灵敏度。样品气流17通过的时候，金属盒内置的放电针91与金属盒9之间产生电晕放电，样品分子被电离。载气流从金属盒9的下面通过，金属盒9的下面为封闭状态，能够避免载气流被电离，影响检测结果。

由于样品分子不可能全部电离，本发明在样品气流和载气流进入离子过滤器的通道上设置有分离电极2，用于产生电场，该电场与样品气流17运动方向垂直。被电离了的样品离子带电，通过时受到电场力的作用发生偏转进入离子过滤器，未被电离的样品分子不带电不受电场的影响从离子过滤器外通过，最后被样品气流采集装置7收集。进入离子迁移区11的离子运动速度可由载气流1进行调节。

本发明的离子过滤器选用高场非对称波形离子迁移过滤器，其结构参见图5和图6，由断面为矩形的四棱柱50及电极板5构成。电极板5与控制系统8的高压脉冲和直流电压(补偿电压)连接，高压脉冲在电极板5之间产生非对称射频电场，用于阻止非探测离子通过，让探测离子通过。穿过离子过滤器的样品离子被离子探测器的探测电极6捕获，产生离子电流，被控制系统8中的离子电流检测器检测到。控制系统8的微处理器记录每个补偿电压对应的相关数据并通过软件实时地绘出两者的对应关系曲线。从而确定每个波形中电流信号最大值的补偿电压值。将此时的高场非对称波形射频电压和补偿电压的相关参数(电压最大值、最小值、占空比等)及迁移区的尺寸、载气流1的流速、补偿电压值等与微处理器的数据进行比较从而确定样品气流17的物质种类。

为了避免分离电极2对离子过滤器的干扰，图3中，在分离电极2与离子过滤器之间设置有第一屏蔽电极3，用于屏蔽分离电极2产生的电场对离子过滤器的干扰。

由于高场非对称波形离子迁移过滤器的电极板5产生的射频电场为高压高频电场，在体积有限的装置中对探测电极6的干扰不可忽视，本发明通过在离子过滤器与离子探测器之间设置第二屏蔽电极4，以屏蔽离子过滤器射频高压电场对离子探测器探测电极6的干扰，提高探测器分辨率。

图3中的屏蔽电极15(称为第三屏蔽电极)用于减小离子过滤器对外干扰及外部电场对本探测装置的干扰。气泵13可以提供与离子运动方向相反的清洁气体，以消除离子束以及迁移区对湿度作用的敏感性。

图3中，所有屏蔽电极都与探测装置地连接。

实施例

本例样品气流17携带丙酮和甲苯的混合物进入离子化气体探测装置。样品气流速度17为1L/min。载气流1的速度在2～10L/min范围内可调节。本例分离电极2施加7V的直流电压，没有电离的丙酮分子和甲苯分子在样品气流17的作用下被气体收集装置7收集，净化过滤后排出。电离的丙酮离子和甲苯离子在分离电极2的作用下，运动轨迹发生偏转进入迁移区11。本例载气流1为99.999％的N₂，气体流速调为2.5L/min，携带丙酮离子和甲苯离子在迁移区11被分离，迁移区(即电极板5的尺寸，参见图5)可以选择为20×10×2mm³。电极板5连接的脉冲电压参数如下：最大振幅2700V，最小脉冲宽度为1us，频率50～200kHz，占空比在5.4％～30％范围内调节。通过控制系统8的处理，可以得到甲苯和丙酮的补偿电压和电流信号对应关系的实时曲线，通过数据比较确定丙酮和甲苯的物质种类。

Claims

1.一种离子化气体探测装置，包括：

离子发生器，产生用于探测的离子；

离子探测器，用于检测穿过离子过滤器的离子；

其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种离子化气体探测装置，其特征在于：在样品气流和载气流进入离子过滤器的通道上设置有分离电极，所述分离电极用于产生电场，分离被电离了的带电离子和未电离的中性分子。

3.根据权利要求2所述的一种离子化气体探测装置，其特征在于：所述分离电极与离子过滤器之间设置有第一屏蔽电极，所述第一屏蔽电极用于屏蔽分离电极产生的电场对离子过滤器的干扰。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种离子化气体探测装置，其特征在于：所述离子过滤器为高场非对称波形离子迁移过滤器。

5.根据权利要求4所述的一种离子化气体探测装置，其特征在于：在离子过滤器与离子探测器之间设置有第二屏蔽电极，所述第二屏蔽电极用于屏蔽离子过滤器对离子探测器的干扰。

6.根据权利要求4所述的一种离子化气体探测装置，其特征在于：所述离子过滤器由断面为矩形的四棱柱及电极板构成。