CN106098528B - 一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置和方法，该装置包括双极性可调离子门驱动器，其包括信号发生器和两个直流可调隔离电源，两个直流可调隔离电源分别对离子门上两组电极输出电压，信号发生器控制两个直流可调隔离电源对离子门上两组电极输出电压的相位，通过调节两个直流可调隔离电源的输出以实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，和/或通过调节信号发生器的输出以实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，从而使离子门两组电极电压跳变产生的电磁辐射有效地相互抵消。该方法通过调节离子门两组电极上驱动电压的幅值和/或相位减小其空间电磁辐射感应冲击，进而有效减小由于离子门电压跳变而在法拉第盘上形成的感应冲击。
Description
技术领域
本发明涉及离子迁移谱仪，特别是涉及一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置和方法。
背景技术
离子迁移谱是一种痕量物质快检技术，具有结构简单、灵敏度高、检测速度快、常压下工作的优点。离子迁移谱仪通过开关离子门的方式控制带电粒子以特定的模式进入漂移区，经分离后被检测器探测到。
离子门的开关状态通常是利用离子门驱动器调节离子门上的两级压差的方式来实现的：当离子门上两组电极上的电位相等时，离子门打开，离子得以通过；当离子门上两组电极的电位存在一定的压差时，离子门关闭，离子门附近的离子将被打到离子门上的低电位电极组上，离子不能通过。
离子迁移谱中的感应冲击是离子门电压跳变瞬间在检测器上检测到的冲击性脉冲。由于离子门上的电压为高压，离子门上两组电极跳变压差很大(一般大于80V)，在开关跳变的过程中会产生很大电磁辐射，并会在检测器上检测到较大的感应冲击，对有效信号的检测造成极大的干扰。对于傅里叶变换离子迁移谱仪(FT-IMS)而言，由于仪器有两道离子门，而且第二道离子门离检测器距离非常近(一般不足10mm)，形成的感应冲击更为严重，甚至会使有效信号被湮没掉。
目前，离子门一般采用双边对称控制，即在关门状态时，离子门上一组电极高出基准电压一定的值，而另一组电极低于基准电压相同的值。例如，在关门状态下，当离子门基准电压为3500V时，离子门两组电极上的电压分别为3540V、3460V。以一定的频率控制离子门开关，就能使离子流以相应的形式通过。这种控制方式一般从主电路采用电阻分压的方式实现，可调性差，不能非对称地改变离子门两个电极组的相对电压，难以通过调节离子门电压的方式来减小感应冲击。另外，离子门开关瞬间，漂移区的电场将会受到影响，尤其是在傅里叶变换离子迁移谱仪中，由于离子门开关频率较大，对漂移区电场的稳定性将造成很大的影响。
实际应用中，由于离子门驱动方式和几何结构等存在很大的差异，现有的离子门驱动方式很难有效地减弱感应冲击。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置和方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置，包括双极性可调离子门驱动器，所述双极性可调离子门驱动器包括信号发生器和两个直流可调隔离电源，所述两个直流可调隔离电源分别对离子门上两组电极输出电压，所述信号发生器控制所述两个直流可调隔离电源对离子门上两组电极输出电压的相位，其中通过调节所述两个直流可调隔离电源的输出以实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，和/或通过调节所述信号发生器的输出以实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，从而使离子门两组电极电压跳变产生的电磁辐射有效地相互抵消，进而有效地减小在法拉第盘上形成的感应冲击。
进一步地：
所述双极性可调离子门驱动器还包括两组光电开关模块和高压隔离模块、以及两组MOS管，其中两组MOS管与两个直流可调隔离电源串联，两组MOS管均包括两个串联的MOS管，两组MOS管的组内串接点分别接到离子门的两组电极，两组MOS管之间的串接点与两个直流可调隔离电源之间的串接点相连并一同接离子门的基准电压Vref，所述信号发生器的第一输出端通过第一组光电开关模块和高压隔离模块接到第一组MOS管的两个栅极，所述信号发生器的第二输出端通过第二组光电开关模块和高压隔离模块接到第二组MOS管的两个栅极。
所述信号发生器产生两路幅值相同、相位相差180°的脉冲波或方波信号，分别用于控制两个光电开关模块的工作，在高压隔离模块的保护下控制两组MOS管的工作状态，从而使接入离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。
所述离子门为TP离子门或BN离子门。
所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)或傅里叶变换离子迁移谱仪(FT-IMS)。
一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的方法，使用所述的减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置，调节离子门两组电极上驱动电压的幅值和/或相位减小其空间电磁辐射感应冲击。
进一步地：
通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出来实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，以补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
通过调节双极性可调离子门驱动器中的信号发生器生成的低压门控信号的相位来实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，以补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出来实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，以及通过调节双极性可调离子门驱动器中的信号发生器生成的低压门控信号的相位来实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，来补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
一种离子迁移谱仪，具有所述的减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置。
本发明的有益效果：
对于传统的离子迁移谱仪，由于BN离子门加工和装配过程中产生的误差，或由于TP离子门两组电极距离检测器的距离不相等，致使即使采用双边对称开关驱动模式也不能使离子门两组电极产生的电磁辐射有效地相互抵消，因而仍然存在较大的感应冲击。本发明通过调节离子门两组电极上的电压的幅值差和相位差，可以有效地补偿由于离子门加工装配等误差、TP离子门的两组电极为前后排列、结构本身存在不对称性所带来的两组电极电磁辐射的差异(离子门两组电极在电压跳变过程中在法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异)，减小其空间电磁辐射冲击，有效改善由于离子门两组电极上的电压在跳变过程中的能量辐射不能有效抵减的问题，进而有效地减小在法拉第盘上形成的感应冲击及其对有效信号的干扰程度。
附图说明
图1是一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置示意图；
图2是利用双极性可调离子门驱动器减小感应冲击的SA-IMS结构(BN离子门)示意图；
图3是利用双极性可调离子门驱动器减小感应冲击的SA-IMS结构(TP离子门)示意图；
图4是利用双极性可调离子门驱动器减小感应冲击的FT-IMS结构(BN离子门)示意图；
图5是利用双极性可调离子门驱动器减小感应冲击的FT-IMS结构(TP离子门)示意图；
图6是双极性离子门驱动器产生的离子门两电极电压及其产生的感应干扰；
图7是离子门两电极各自产生的感应干扰的最大值存在相位差的情况示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1，在一种实施例中，一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置，包括双极性可调离子门驱动器，所述双极性可调离子门驱动器包括信号发生器和两个直流可调隔离电源1、2，所述两个直流可调隔离电源1、2分别对离子门上两组电极输出电压Vo1、Vo2，所述信号发生器控制所述两个直流可调隔离电源1、2对离子门上两组电极输出电压Vo1、Vo2的相位，其中通过调节所述两个直流可调隔离电源1、2的输出以实现对离子门上两组电极电压Vo1、Vo2幅值差的调节，和/或通过调节所述信号发生器的输出以实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，从而使离子门两组电极电压跳变产生的电磁辐射有效地相互抵消，进而有效地减小在法拉第盘上形成的感应冲击。
如图1所示，在优选的实施例中，所述双极性可调离子门驱动器还包括两组光电开关模块和高压隔离模块、以及两组MOS管，其中两组MOS管与两个直流可调隔离电源1、2串联，两组MOS管均包括两个串联的MOS管，两组MOS管的组内串接点分别接到离子门的两组电极，两组MOS管之间的串接点与两个直流可调隔离电源1、2之间的串接点相连并一同接离子门的基准电压Vref，所述信号发生器的第一输出端通过第一组光电开关模块和高压隔离模块接到第一组MOS管的两个栅极，所述信号发生器的第二输出端通过第二组光电开关模块和高压隔离模块接到第二组MOS管的两个栅极。
在优选的实施例中，所述信号发生器产生两路幅值相同、相位相差180°的脉冲波或方波信号，分别用于控制两个光电开关模块的工作，在高压隔离模块的保护下控制两组MOS管的工作状态，从而使接入离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。
在一些实施例中，所述离子门可以是TP离子门或BN离子门。
在一些实施例中，所述离子迁移谱仪可以为采用TP离子门或BN离子门的信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)，也可以是采用TP离子门或BN离子门的傅里叶变换离子迁移谱仪(FT-IMS)。
在另一种实施例中，一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的方法，使用前述任一实施例的减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置，调节离子门两组电极上驱动电压的幅值和/或相位减小其空间电磁辐射感应冲击。
在具体的实施例中，可以通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出来实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，以补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
在具体的实施例中，可以通过调节双极性可调离子门驱动器中的信号发生器生成的低压门控信号的相位来实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，以补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
在具体的实施例中，可以通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出来实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，以及通过调节双极性可调离子门驱动器中的信号发生器生成的低压门控信号的相位来实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，来补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
在另一种实施例中，一种离子迁移谱仪，具有前述任一实施例的减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例及其优点。
如图6所示，本发明实施例采用双极性离子门驱动方式，即离子门由开门状态向关门状态切换时，一组电极正向跳变(图6的(a)部分)，而另一组电极负向跳变(图6的(b)部分)，使两组离子门电极跳变过程造成的感应干扰得到中和补偿，从而达到减小感应干扰的目的。如图6的(c)、(d)、(e)部分所示，其中，图6的(c)部分为图6的(a)部分所示离子门电极电压产生的感应冲击，图6的(d)部分为图6的(b)部分所示离子门电极电压产生的感应冲击，图6的(e)部分为中和后的感应冲击。
由于TP离子门的两组电极为前后排列，结构本身存在不对称性，两组电极在法拉第盘上产生的感应干扰的强度和相位会存在一定的差异；BN离子门也会由于制造和装配误差的存在而不能使感应干扰获得彻底的消除。如图7的(a)、(b)部分示出了离子门两电极各自产生的感应干扰的最大值存在相位差的情况。本发明实施例进一步利用双极性可调离子门驱动器通过调节离子门驱动电压的幅值差和/或相位差来减小离子迁移谱感应冲击。通过调节离子门两组电极上的门控电压的幅值差和/或相位差，来改善由于BN离子门加工装配等误差以及TP离子门两组电极距离检测器的距离不相等的结构特点所带来的离子门两组电极上的电压在跳变过程中的能量辐射不能有效抵减的问题。
实施例1
本实施例主要为利用调节离子门两组电极电压幅值差的方式来减小感应冲击。
由于离子门的结构(如TP离子门)或者加工和装配误差(如BN离子门)的存在，离子门上两组电极各自在法拉第盘上产生的感应冲击的强度大小可能会存在差异，从而使感应冲击不能得到有效的削减。
本实施例可采用如图1所示的双极性可调离子门驱动器，通过调节离子门驱动器中可调电源的输出电压来调节离子门上电极的电压的幅值(即图6的(a)、(b)部分的幅值)，从而降低两组离子门电极在法拉第盘上产生的感应冲击的强度差(即图6的(c)、(d)部分的幅值差)，使感应冲击得到进一步的削减。
更进一步，本实施例中的调节离子门上两组电极的电压的幅值的方法也可为其他调节方式，如通过调节分压电阻的阻值来实现电压幅值的调节等。
实施例2
本实施例主要为利用调节离子门两组电极电压相位差的方式来减小感应冲击。
由于离子门的结构(如TP离子门)或者加工和装配误差(如BN离子门)的存在，离子门上两组电极各自在法拉第盘上产生的感应冲击的相位可能会存在差异，从而使感应冲击不能得到有效的削减。
本实施例可采用如图1所示的双极性可调离子门驱动器，通过调节信号发生器产生的控制低压信号的相位差来调节离子门上电极的电压的相位差，使离子门两组电极各自产生的感应干扰在最强处相互抵消，从而使感应冲击得到有效地削减。
更进一步，本实施例中的调节离子门上两组电极的电压的相位差的方法也可为其他方式。
实施例3
本实施例是针对采用BN离子门的离子迁移谱仪减小感应冲击的例子。
本实施例可采用如图1所示的双极性可调离子门驱动器，应用于如图2、图4所示的BN离子门。如图2、图4所示，从离子迁移谱仪的分压电路中引出离子门基准电压Vref，接入双极性可调离子门驱动器中两个直流可调隔离电源的串接点上，然后将双极性可调离子门驱动器中的两个输出端分别接入离子门两个电极。
信号发生器产生两路幅值相同、相位相差180°的脉冲波或方波信号，分别用于控制两路光电模块的工作，在高压隔离模块的保护下控制两个MOS管的工作状态，从而使接入离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。通过调节可调电源的电压输出，即可达到调节离子门电极电压的幅值的目的；调节信号发生器产生的低压控制信号的相位，即可达到调节离子门电极电压的相位的目的。
由于BN离子门加工和装配过程中必然存在一定的误差，致使即使采用双边对称开关驱动模式也不能使离子门两组电极产生的电磁辐射有效地相互抵消，因而仍然存在较大的感应冲击。通过调节离子门两组电极上的电压的幅值差和相位差，可以有效地补偿由于离子门加工装配等误差所带来的两组电极电磁辐射的差异，从而极大地减弱感应冲击。
实施例4
本实施例是针对采用TP离子门的离子迁移谱仪减小感应冲击的例子。
本实施例可采用如图1所示的双极性可调离子门驱动器，应用于如图3、图5所示的TP离子门。如图3、图5所示，为应用TP离子门的离子迁移谱仪，所装离子门驱动器也为双极性可调离子门驱动器。具体的减小感应冲击的方法与实施例3相似，通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出电压来调节离子门上两组电极各自产生的感应冲击的强度，通过调节信号发生器产生的低压控制信号的相位来调节离子门上两组电极各自产生的感应冲击的相位，从而实现最大化减小感应冲击的目的。
实施例5
本实施例是关于一种信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)，其既可以是使用BN离子门的SA-IMS(如图2所示)，也可以是使用TP离子门的SA-IMS(图3所示)。
具体的减小感应冲击的方法与实施例3相似，可采用如图1所示的双极性可调离子门驱动器，通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出电压来调节离子门上两组电极各自产生的感应冲击的强度，通过调节信号发生器产生的低压控制信号的相位来调节离子门上两组电极各自产生的感应冲击的相位，从而实现最大化减小感应冲击的目的。
实施例6
本实施例是关于一种傅里叶变换离子迁移谱仪(FT-IMS)中，其既可以是使用BN离子门的FT-IMS(如图4所示)，也可以是使用TP离子门的FT-IMS(如图5所示)。
具体的减小感应冲击的方法与实施例3相似，可采用如图1所示的双极性可调离子门驱动器，通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出电压来调节离子门上两组电极各自产生的感应冲击的强度，通过调节信号发生器产生的低压控制信号的相位来调节离子门上两组电极各自产生的感应冲击的相位，从而实现最大化减小感应冲击的目的。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置，其特征在于，包括双极性可调离子门驱动器，所述双极性可调离子门驱动器包括信号发生器和两个直流可调隔离电源，所述两个直流可调隔离电源分别对离子门上两组电极输出电压，所述信号发生器控制所述两个直流可调隔离电源对离子门上两组电极输出电压的相位，其中通过调节所述两个直流可调隔离电源的输出以实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，和/或通过调节所述信号发生器的输出以实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，从而使离子门两组电极电压跳变产生的空间电磁辐射有效地相互抵消，进而有效地减小在法拉第盘上形成的感应冲击；
所述双极性可调离子门驱动器还包括两组光电开关模块和高压隔离模块、以及两组MOS管，其中两组MOS管与两个直流可调隔离电源串联，两组MOS管均包括两个串联的MOS管，两组MOS管的组内串接点分别接到离子门的两组电极，两组MOS管之间的串接点与两个直流可调隔离电源之间的串接点相连并一同接离子门的基准电压Vref，所述信号发生器的第一输出端通过第一组光电开关模块和高压隔离模块接到第一组MOS管的两个栅极，所述信号发生器的第二输出端通过第二组光电开关模块和高压隔离模块接到第二组MOS管的两个栅极。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号发生器产生两路幅值相同、相位相差180°的脉冲波或方波信号，分别用于控制两个光电开关模块的工作，在高压隔离模块的保护下控制两组MOS管的工作状态，从而使接入离子门的电压Vo在直流可调隔离电源两级输出电压VH、VL之间跳变。
3.如权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述离子门为TP离子门或BN离子门。
4.如权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述离子迁移谱仪为信号平均离子迁移谱仪(SA-IMS)或傅里叶变换离子迁移谱仪(FT-IMS)。
5.一种减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的方法，其特征在于，使用权利要求1至4任一项所述的减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置，调节离子门两组电极上驱动电压的幅值和/或相位减小其空间电磁辐射感应冲击。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出来实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，以补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过调节双极性可调离子门驱动器中的信号发生器生成的低压门控信号的相位来实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，以补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：通过调节双极性可调离子门驱动器中的直流可调隔离电源的输出来实现对离子门上两组电极电压幅值差的调节，以及通过调节双极性可调离子门驱动器中的信号发生器生成的低压门控信号的相位来实现对离子门上两组电极电压相位差的调节，来补偿由于离子门结构以及加工和装配误差引起的离子门两组电极在电压跳变过程中在离子迁移谱仪法拉第盘上形成的反向感应冲击的差异。
9.一种离子迁移谱仪，其特征在于，具有权利要求1至4任一项所述的减小离子迁移谱仪离子门感应冲击的装置。
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