CN104849342B - 离子迁移谱仪及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种离子迁移谱仪及其方法。该离子迁移谱仪包括：第一电极；离子源，与第一电极毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括：聚焦导向电极，设置在离子源的远离第一电极的那侧，形成为漏斗状，从毗邻离子源的一侧向远离离子源的一侧逐渐变大，以将离子从离子源输出；以及存储部分，设置在聚焦导向电极的输出离子的那侧，用于存储从离子源产生的离子。本发明由于采取了离子源与存储区分开的方案，可以方便离子源的互换，在不改变后续结构的情况下更换不同的源。由于存储部分在离子需要移动的方向可以作的很薄，直径可以做得较大，且内部电场几乎为零，可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零，减少离子迁移谱的展宽，可提高分辨率。

Description

离子迁移谱仪及其方法
本申请是于2007年12月27日提交给中国专利局的名称为“离子迁移谱仪及其方法”的第200710304330.X的发明专利申请的分案申请。
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离子迁移谱仪以及应用于其的离子存储和引出的方法，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不同而实现对离子的分辨。通常由进样部分、电离部分、离子门、迁移区、收集区、读出电路、数据采集和处理、控制部分等构成。现有技术中，采用Bradbury and Nielson门只在开门阶段将在此期间产生的离子送往迁移区。关门时期的离子通过离子门被散射到管壁上不能被存储而被浪费。
中国专利200310106393.6公开了一种离子存储方法，采用三片网电极代替Bradbury and Nielson门构成存储区，在离子存储阶段，离子存储在前两片电极之间的无电场区。当需要离子被推入迁移区进行迁移时，改变第一片网电极电压将离子推到第二片和第三片网电极之间，再改变第二网电极将离子推到迁移区进行迁移和分辨。由于将存储的离子两次经过网电极，会由于碰撞和散射影响到灵敏度，而且控制较为复杂。
美国专利5200614也公开了一种离子存储的方法，由于在离子存储阶段正负离子存在复合的问题，影响了灵敏度。由于将电离区和存储区合二为一，虽简化结构，但离子源的尺寸和形状受到一定限制，影响进一步的使用。
以上技术均需要较长的开门时间，才能将离子送入迁移区，会造成迁移峰谱形展宽，在相同迁移区情况下，影响分辨率。
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及其方法，能够有效地提高灵敏度和分辨率，且控制简单方便。
在本发明的一个方面，提出了一种离子迁移谱仪，包括：电极；离子源，与电极毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括：聚焦导向电极，设置在离子源的远离电极的那侧，形成为漏斗状，以将离子从离子源输出；以及存储部分，设置在聚焦导向电极的输出离子的那侧，用于存储从离子源产生的离子。
优选地，所述存储部分包括依此排列的第一端电极、中间电极和第二端电极。
优选地，第一端电极由带有孔的金属片构成。
优选地，第二端电极由网状金属片构成。
优选地，第一端电极和第二端电极之间的距离小于4mm。
优选地，所述离子迁移谱仪还包括设置在存储部分的输出侧的另一电极。
优选地，所述存储部分与所述另一电极之间的距离小于3mm。
优选地，在电极、离子源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分之间存在电压差且相对电压固定，而在另一电极加上固定电压，以将离子存储在存储部分中。
优选地，改变第一电极、离子源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分上的电压，以导出存储在存储部分中的离子。
优选地，离子源是同位素源、电晕放电、激光、紫外光或X射线。
优选地，所述电极和另一电极均形成为环状或者网状。
在本发明的另一方面，提出了一种用于离子迁移谱仪的方法，所述离子迁移谱仪包括：电极；离子源，与电极毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括：聚焦导向电极，设置在离子源的远离电极的那侧，形成为漏斗状，以将离子从离子源输出；存储部分，设置在聚焦导向电极的输出离子的那侧，用于存储从离子源产生的离子；以及设置在存储部分的输出侧的另一电极；其中所述方法包括：离子存储步骤，向电极、源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分施加电压使得它们之间存在电压差且相对电压固定，向另一电极施加固定电压，以将离子存储在存储部分中；以及离子导出步骤，改变电极、源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分上的电压，以导出存储在存储部分中的离子。
本发明由于采取了源与存储区分开的方案，可以方便离子源的互换，在不改变后续结构的情况下更换不同的源。
网电极、离子源、聚焦导向电极和存储部分组成组合电极，网电极、源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分存在电压差且相对电压固定，第一环电极加上固定电压，组合电极上的电压可以浮动变化实现离子的存储和导出。
在离子存储阶段，所需收集的正或负离子在电场的作用下通过聚焦导向电极漂移到存储部分内部进行存储。由于存储部分在离子需要移动的方向可以作的很薄，直径可以做得较大，且内部电场几乎为零，可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零，减少离子迁移谱的展宽，可提高分辨率。
在离子导出阶段，改变组合电极电压将离子推到迁移区，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离子迁移谱仪的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的离子迁移谱仪中采用的电极示意图。
图3A到图3C是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储部分的侧面示意图。
图4是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储部分的正面示意图。
图5示出了根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的聚焦导向电极的侧面和正面示意图。
图6是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的各电极的电势示意图。
图7是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的各电极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。本发明即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。
图1是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的结构示意图。如图1所示，根据本发明实施例的离子迁移谱仪包括依次排列的网电极1、离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4、第一环或网电极5、其余环电极6和法拉第盘7等。
根据本发明的实施例，离子源2可以为同位素源如镍63，也可以为电晕放电、激光、紫外光、X射线等源。
如图2所示，网电极1可以形成为附图标记8所示的样式，当然包含各种样式的孔，如六边形孔、圆孔等。第一环电极5也可以形成为附图标记9所示的样式，也可形成为附图标记8所示的环状样式。
图3A到图3C是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储部分的侧面示意图。图4是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储部分的正面示意图。
如图4所示，存储部分4为一个一边为小圆孔的金属薄片10(如图3A)、中间为圆环11(如图3B)、另一边为网状孔的金属薄片12(如图3C)的金属盒。网状孔的网丝要求尽可能细，两金属片10和12之间的距离应该小于4mm,该存储部分内部形成无电场区。
如图5所示，附图标记13和14分别表示聚焦导向电极3的正向剖图和侧视图。聚焦导向电极3形成为漏洞状，从毗邻离子源2的一侧向远离离子源2的一侧逐渐变大，形成聚焦电场，从而起到离子导向的作用，也可用一组这样的电极进行聚焦。另外，存储部分4和第一环电极5之间的距离应小于3毫米，从而方便离子的推出。
图6是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的各电极的电势示意图。如图6所示，附图标记15表示网电极1上施加的电压。附图标记16表示离子源2上施加的电压；附图标记17表示聚焦导向电极3上施加的电压；附图标记18表示存储部分4上施加的电压；附图标记19表示第一环或网电极5上施加的电压。
图6中所示的实线为存储状态时网电极1、离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4电势图，虚线为离子导出状态时网电极1、离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4各点电势图。网电极1、离子源2、聚焦导向电极3和存储部分4加上的电压可以浮动，网电极1与离子源2的屏蔽金属外壳以及与聚焦导向电极3和存储部分4存在电压差，第一环或网电极5加上固定电压，第一环或网电极5和后边的环电极6加上均匀递减的电压形成迁移区。实线20为环电极以后对应的各点电压，在存储阶段和离子导出阶段都保持稳定不变。
在离子存储阶段时，正离子将移动到形成的附图标记18处的势阱中进行存储，调节各点电压形成合适的势阱深度满足最大存储量和快速推出的要求。
在离子引出阶段，将网电极1、离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4加上的电压同时提高到如虚线所示的电压，使得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。
图7是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的各电极电压随时间变化的示意图。如图7所示，附图标记21、22、23、24、25分别为网电极1、离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4和第一环电极5上所施加的电压随时间变化的波形。
在存储阶段时，网电极1、离子源2、聚焦导向电极3的电压均高于存储部分4的电压，第一环或网电极5的电压25也高于存储部分4的电压22，调节附图标记21、22、23、24、25所表示的基线电压和跳动幅度能够使存储的离子容量最大并能快速推出。
当要将离子从存储区导入迁移区，将网电极1、离子源2、聚焦导向电极3和存储部分4上施加的电压同时抬高一定幅度，且均高于第一环电极5的电压25，就可以将离子推到迁移区，随后再恢复到存储状态。
如上所述，明由于采取了离子源2与存储部分4分开的方案，可以方便离子源2的更换，允许在不改变后续结构的情况下更换不同的离子源。
另外，网电极1、离子源2、聚焦导向电极3和存储部分4组成组合电极。网电极1、离子源2的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极3和存储部分4存在电压差且相对电压固定，而在第一环电极5加上固定电压，组合电极上的电压可以浮动变化实现离子的存储和导出。
在离子存储阶段，所需收集的正或负离子在电场的作用下通过聚焦导向电极3漂移到存储部分4内部进行存储。由于存储部分4在离子需要移动的方向可以作的很薄，直径可以做得较大，且内部电场几乎为零，可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零，减少离子迁移谱的展宽，可提高分辨率。
在离子导出阶段，改变组合电极电压将离子推到迁移区，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 (13)

1.一种离子迁移谱仪，包括：
第一电极(1)；
离子源(2)，与第一电极(1)毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括：
聚焦导向电极(3)，设置在离子源(2)的远离第一电极(1)的那侧，形成为漏斗状，从毗邻离子源(2)的一侧向远离离子源(2)的一侧逐渐变大，以将离子从离子源(2)输出；以及
存储部分(4)，设置在聚焦导向电极(3)的输出离子的那侧，用于存储从离子源(2)产生的离子。
2.如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中所述存储部分(4)包括依次 排列的第一端电极(10)、中间电极(11)和第二端电极(12)。
3.如权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中第一端电极(10)由带有孔的金属片构成。
4.如权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中第二端电极(12)由网状金属片构成。
5.如权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中第一端电极(10)和第二端电极(12)之间的距离小于4mm。
6.如权利要求1所述的离子迁移谱仪，还包括设置在存储部分(4)的输出侧的第二电极(5)。
7.如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中所述存储部分(4)与所述第二电极(5)之间的距离小于3mm。
8.如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中在第一电极(1)、离子源(2)的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极(3)和存储部分(4)之间存在电压差且相对电压固定，而在第二电极(5)加上固定电压，以将离子存储在存储部分(4)中。
9.如权利要求8所述的离子迁移谱仪，其中改变第一电极(1)、离子源(2)的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极(3)和存储部分(4)上的电压，以导出存储在存储部分(4)中的离子。
10.如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中所述第一电极(1)和第二电极(5)均形成为环状或者网状。
11.如权利要求1所述的离子迁移谱仪，所述存储部分(4)包括依次 排列的第一端电极(10)、中间电极(11)和第二端电极(12)，其中第一端电极(10)由带有孔的金属片构成，第二端电极(12)由网状金属片构成，中间电极(11)为圆环形状。
12.一种用于离子迁移谱仪的方法，
所述离子迁移谱仪包括：
电极(1)；
离子源(2)，与电极(1)毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括：
聚焦导向电极(3)，设置在离子源(2)的远离电极(1)的那侧，形成为漏斗状，从毗邻离子源(2)的一侧向远离离子源(2)的一侧逐渐变大，以将离子从离子源(2)输出；
存储部分(4)，设置在聚焦导向电极(3)的输出离子的那侧，用于存储从离子源(2)产生的离子；以及
设置在存储部分(4)的输出侧的另一电极(5) ；
其中所述方法包括：
离子存储步骤，向电极(1)、离子源(2)的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极(3)和存储部分(4)施加电压使得它们之间存在电压差且相对电压固定，向另一电极(5)施加固定电压，以将离子存储在存储部分(4)中；以及
离子导出步骤，改变电极(1)、离子源(2)的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极(3)和存储部分(4)上的电压，以导出存储在存储部分(4)中的离子。
13.如权利要求12所述的离子迁移谱仪的方法，所述存储部分(4)包括依次 排列的第一端电极(10)、中间电极(11)和第二端电极(12)，其中第一端电极(10)由带有孔的金属片构成，第二端电极(12)由网状金属片构成，中间电极(11)为圆环形状。
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