CN106605286B - 用于分析气体组分的便携式电子装置 - Google Patents
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Abstract
描述了用于分析在环境压力Pa下存在于环境A中的气体组分的电子装置1。装置1是便携式的，并且包括气体采样模块7、离子过滤模块8和离子检测模块9。采样模块7被配置为调节来自环境A的气体颗粒的输入气流Fi和输出气流Fo，以便在采样模块7内再现表征待分析的气体组分的气体组分。此外，采样模块7被配置为电离所述气体颗粒并且发射所产生的离子，以便生成具有表征待分析的气体组分的离子组分的离子流I。离子过滤模块8可操作地连接到采样模块7以接收离子流I，并且被配置为可控地选择存在于离子流I中的至少一种类型的离子，并且生成相对应的至少一个均匀离子束I’，其强度表征待分析的气体组分中的相对应的气体颗粒的浓度。
Description
本发明的技术领域
应用领域
本发明涉及基于气流的控制以及离子流的生成和控制来分析气体组分的电子装置的领域。
本发明同样包括分析存在于待分析的环境中的气体组分的方法，例如工业过程环境。
现有技术的描述
已知许多用于分析气流的气体组分的系统和装置，例如采用质谱仪的分析系统。
这些已知的系统相对于生成待分析的气体的过程“后验”地起作用，因为它们通常对来自待分析的环境并且注入到它们中的气流进行操作。
此外，这些已知的系统借助于气流的电离而操作，这需要保持在真空压力(即，低于1mbar，优选为约10-3mbar)的电离环境。由于这个原因，这种系统必须装备庞大和昂贵的泵送装置，适于从电离环境中抽出注入以用于分析的大部分气流，以创建电离所需的真空条件。因此，对留在电离环境中的气体残余物进行分析，通过从注入的气流中减去而获得。
上述已知系统具有各种缺点。
首先，由于上面解释的原因，它们相对昂贵和笨重：事实上，它们可以更适当地称为“系统”而不是“装置”。
另外，分析的精确度取决于通过作为泵送的结果而获得的真空压力气体残余物所表示的待分析的气体组分的保真度。这种精确度对于大多数应用可能是不足的，可能需要复杂的程序和系统用于校正和调整。
最后，在这些已知的解决方案中，在进行分析时，不可能通过以受控方式富集待分析的气体组分，从而不能提高分析的精确度。
另一方面，在越来越多的重要应用中，需要具有用于分析气流的紧凑、便携和便宜并且也精确和可靠的装置，因此是“最顶尖的产品”。
这对于例如在不干扰的情况下，对工业环境中的气体组分的分析，或对工业过程的排出气体的分析，该过程的下游，可能是有利的。
还显然希望具有这样的气体分析装置，其在确保足够的精确度和可靠性的同时越来越小型化和紧凑，这将显著地将应用领域扩大到理想地实现可安装在汽车、飞机、污染检测控制器等中小型化“气体组分传感器”的程度。
如上所述，用于气体分析的已知系统不能满足上述期望的要求或上述需要。
鉴于上述情况，本发明的目的是设计和提供一种用于分析气流的装置以及使用这种装置的相关方法，其被改进以满足上述需要，并且能够至少部分地克服上面参考已知技术描述的缺点。
发明内容
提供了一种用于分析在环境压力(Pa)下存在于环境(A)中的气体组分的电子装置(1)，所述装置是便携式的并且适于放置在所述环境(A)中，并且包括：-气体采样模块(7)，被配置为以可控方式调节来自所述环境(A)的气体颗粒的输入气流(Fi)和输出气流(Fo)，以便在所述采样模块(7)内再现表征待分析的所述气体组分的气体组分，并且被配置为电离所述气体颗粒并且发射所产生的离子，以便生成具有表征待分析的所述气体组分的离子组分的离子流(I)；-离子过滤模块(8)，可操作地连接到所述采样模块(7)以接收所述离子流(I)，并且被配置为可控地选择存在于所述离子流(I)中的至少一种类型的离子，并且生成相对应的至少一个均匀离子束(I’)，所述至少一个均匀离子束(I’)的强度表征待分析的所述气体组分中的相对应的气体颗粒的浓度；-离子检测模块(9)，可操作地连接到所述离子过滤模块(8)以接收所述至少一个均匀离子束(I’)，并且被配置为测量所述至少一个均匀离子束(I’)的强度以及生成相对应的电信号(S)，该电信号(S)表征待分析的所述气体组分中相对应的气体颗粒的浓度；-泵送装置(95)，被配置为从所述装置(1)抽出气体，以便控制存在于所述采样模块(7)内部的电离压力(Pi)；其中，所述输入气流(Fi)包括在所述环境压力(Pa)下处于分子或主要是分子状态的多个微流，并且所述输出气流(Fo)是在电离压力(Pi)下处于分子或主要是分子状态的流。
附图说明
根据本发明的用于分析气体组分的电子装置的进一步的特征和优点以及使用这种装置的方法将从以下作为非限制性实例提供的优选实施例的描述中参考附图得到，其中：
-图1是根据本发明的装置的简化功能图；
-图2至6示出了包括在本装置的实施例中的采样模块的部分；
-图7是这种采样模块的透视图；
-图8呈现了包括在本装置的实施例中的离子过滤模块的结构图；
-图9呈现了包括在本装置的实施例中的离子检测模块的结构图；
-图10和图11分别示出了本装置的实施例的分解图和透视图；
-图12和图13分别示出了本装置的进一步实施例的分解图和透视图。
具体实施方式
参考图1至13，特别是图1，描述了一种电子设备1，用于在环境压力Pa下分析存在于环境A中的气体组分(gaseous composition，即gas composition)。
该装置是便携式的，并且可放置在这样的环境A中，并且包括气体采样模块7、离子过滤模块8和离子检测模块9。
采样模块7被配置为调节来自环境A的气体颗粒的输入气流Fi和输出气流Fo，以便在采样模块7内再现表征待分析的气体组分的气体组分。此外，采样模块7被配置为电离所述气体颗粒并且发射所产生的离子，以便生成具有离子组分的离子流I，所述离子组分表征待分析的气体组分。
离子过滤模块8可操作地连接到采样模块7以接收离子流I，并且被配置为可控地选择存在于离子流I中的至少一种类型的离子，并且生成相应的至少一个均匀离子束I’，其强度表征在待分析的气体组分中相应的气体颗粒的浓度。
离子检测模块9可操作地连接到离子过滤模块8以接收所述至少一个离子束I’，并且被配置为测量这样的至少一个离子束I’的强度并且生成相应的电信号S，该信号表征待分析的气体组分中相应的气体颗粒的浓度。
装置1还包括泵送装置95，被配置为从装置1抽取气体，以便控制存在于采样模块7内部的电离压力Pi。
采样模块7被配置为使得输入气流Fi包括在环境压力Pa下的分子或主要是分子状态的多个微流，并且输出气流Fo是在电离压力Pi下的分子或主要是分子状态的气流。
根据实施例，装置1是集成装置。
装置1可操作的环境压力Pa是最多变的；通常，其可以是大气压(约1atm)或更高。
在典型的实例实施例中，保持在采样模块7内的上述电离压力Pi是真空压力。
具体地，电离压力Pi可以在10-2mbar和10-6mbar之间。
根据实施选项，过滤模块8和离子检测模块9保持在低于或等于电离压力Pi的压力下。
根据优选的实施选项，装置1被配置为将采样模块7中的电离压力Pi保持在10- 2mbar和10-5mbar之间的范围内；在过滤模块8中的过滤压力Pf低于电离压力，并且通常在10-5和10-7mbar之间的范围内；并且检测模块9中的检测压力Pr低于过滤压力，通常在10-6和10-8mbar之间的范围内。
参考输入气流Fi和输出气流Fo，应当注意，根据通常使用的命名法，术语“在分子状态下的气流”是指这样的气流，在该气流中，气体颗粒的(即，气体分子的)平均自由路径λ的尺寸可与其所在的通道或容器的尺寸D相当或大于其所在的通道或容器的尺寸D，由此每个颗粒的路径几乎是自由的并且相对于其他颗粒是独立的。
关于气流的分类，通常接受的定义与定义为“在分子状态下的气流”一致，其中参数D/λ与1相当或小于1。
此外，“在主要是分子状态下的气流”被定义为其中参数D/λ为几个单位的数量级的气流(例如，通常﹤10)：事实上，在这种条件下，虽然严格地说，颗粒之间的碰撞不会降低到零，但大多数颗粒在大多数时间处于分子状态条件下。
例如，图书“Vacuum Technology”by A.Roth，NHPC，1976的第2章和第3章可被认为是关于该主题的权威理论参考。
显然，平均自由路径λ也取决于压力和温度的条件；具体而言，其与以开尔文测量的温度成正比，并且与压力成反比。假设阀系统的显著使用条件是在环境温度条件下(例如在273°K和313°K之间的范围内)，或者在不同的温度下，只要基本上恒定，压力因此成为关键参数。
在真空压力(例如，低于1mbar)和甚至更多的高真空(例如，低于10-3mbar)的条件下，可能甚至通过毫米或更高尺寸的通道获得主要是分子状态下的流。
相反，在其他的非真空压力条件下，具体而言是在大气压力或更高压力条件下，有必要将通道的尺寸减小到亚微米值。
根据实施例，如图2至7所示，采样模块7包括电离室6、入口构件2和离子出口构件3。
电离室6适于保持在电离压力Pi，并且被配置为容纳并电离存在于其中的气体颗粒。
入口构件2被配置为抑制或允许和/或调节的电离室中气流Fi的入口。入口构件2包括气流调节界面22，所述气流调节界面具有多个纳米孔20，这些孔为亚微米(也就是亚千分尺)尺寸，其适于以受控的方式被打开或关闭，以允许或抑制处于分子或主要是分子状态的多个微流。
离子出口构件3可操作地连接到离子过滤模块8，并且被配置为抑制或允许和/或调节在分子或主要是分子状态下的输出气流Fo和所生成的离子的离子流I。
根据实施例选项，出口构件3包括孔口30，适于以受控方式被打开或关闭，以便控制输出的气流Fo的输出流导。
图3、图4和图5示出了采样模块7的入口构件2的调节界面22。
根据实施实例，每个纳米孔20被配置为允许微流在10-8和10-6mbar·I·sec-1之间。以这种方式，调节界面22可以以等于这些微流中的一个的精确度和非常精细的粒度来控制气流。当然，其它流动值也是可能的，取决于制造纳米孔的尺寸和纳米孔所经受的压力梯度。
流调节界面允许仅通过亚微米尺寸的纳米孔的气体通道的事实使得能够实现允许在分子或主要是分子状态下的流的功能。事实上，可以计算出，在覆盖合理使用的所有条件的非常宽的温度范围内，并且对于几乎每种类型的气体，即便在大气压或更高的压力下，亚微米直径的通道允许获得期望的D/λ值(小于10，在任何情况下，优选相当于1或更低)，。
有利地，在亚微米间隔内针对装置的具体实施例的纳米孔而选择的具体尺寸可考虑在使用条件中指定的压力条件。
每个纳米孔的亚微米尺寸意味着纳米孔的直径(即，基本上垂直于流的平面上的尺寸)为几百纳米或更小的数量级。
根据实施实例，每个纳米孔20的直径在10至100nm的范围内，优选在20至100nm之间。其它值(例如在50和500nm之间)是可行的，取决于装置的设计规格。
根据实施实例，纳米孔形成在膜21中，该膜21具有数百纳米(nm)的数量级或更低(因此，通常为与直径的数量级相当的数量级)的厚度，并且优选地在50和500nm之间。
根据优选的实施例，每个纳米孔20具有限定的几何形状和确定性可测量的流导，流导是量化可通过纳米孔的微流的参数。
优选地，纳米孔20的几何形状基本上是圆柱形的。
在上述实施例中，每个纳米孔大约是直径为几十或几百纳米的圆柱体或管，并且高度为几百纳米的量级。
根据本发明所涵盖的各种实施实例，形成在调节界面22的膜21中的纳米孔20的分布、数量和尺寸可以是最多变的。调节界面22因此可包括任何组合的所有相同尺寸或彼此不同的纳米孔20。
调节界面22的纳米孔20的数量可以从几十到几百，甚至数千。这有利地允许通过打开所有纳米孔而获得显著强度的流，即使由微流形成。
纳米孔20在调节界面22上的布置可以是最多变的。
根据优选的实施实例，纳米孔20以行和列的二维阵列布置。
根据实施选项，调节界面22包括一个或多个流控制窗口，每个窗口包括膜21，其中通过该膜得到纳米孔20。
每个膜21可以是平面的或非平面的。
在典型的实施实例中，膜21是平面的，基本上为矩形或正方形，其侧面的尺寸为几十微米量级，并且能够包含上百数量级的许多纳米孔。
应当注意，具有膜21和具有期望尺寸和几何形状的任何预定布置的纳米孔的调节界面22可通过本身已知的用于制造具有亚微米尺寸的孔的膜的技术获得。
这样的技术例如在用于生产用于化学-生物应用的膜的纳米技术的背景下是已知的。可用技术的另一个实例涉及使用通过配备有FIB(强制离子束)模块的SEM(扫描电子显微镜)以受控方式穿孔的硅膜。以这种方式，可在硅膜上形成上述类型的纳米孔(nano-hole，在文献中有时也称为“nano-orifice”或“nano-pore”)，例如在科学论文中所示：Lo，Aref，Bezryadin“Fabrication of symmetric sub-5nm nano-pore using focused ionand electron beams”(Nanotechnology 17(2006)3264-3267)；和Stein等人的“Ion BeamSculpting Time Scales”(Physical Review Letter，vol.89，no.27，30.12.2002)。
根据实施选项，采样模块7进一步包括第一致动装置25、第二致动装置35和采样模块控制装置40。
第一致动装置25包括多个小型化的纳米孔打开/关闭构件26，每个小型化的打开/关闭构件26适于打开或关闭相应的纳米孔20，以便分别最大化或最小化纳米孔的流导。
在具体实施实例中，每个微型化纳米孔打开/关闭构件26被配置为密闭地密封相应的纳米孔20，将其流导性减小到0，或者完全打开纳米孔20，允许气流通过它。“密封”闭合的性质可在设计阶段中相对于气流必须被控制的气体分子的尺寸来限定。
第二致动装置35包括闸门36，被配置为以受控的方式完全关闭或保持完全打开或部分地阻塞离子出口构件3的孔口30。
采样模块控制装置40(例如处理器40)被配置为控制第一致动装置25和第二致动装置35。
通过这里示出的采样模块7的结构使得致动纳米孔的最多变的方式成为可能。
实际上，控制装置40被配置为通过根据打开和关闭的纳米孔的数量和位置确定打开和关闭的纳米孔20的图案和/或通过确定纳米孔20的打开时间和关闭时间的比率或占空比来控制通过调节界面22的气流Fi。
在能够提供最大使用灵活性的优选实例实施例中，控制装置40被配置为控制入口致动装置25，使得每个纳米孔20可以独立的方式相对于其他纳米孔20独立地打开或关闭。
根据替代实例，控制装置40被配置为控制致动装置25，以便选择性地打开或关闭一组或多组纳米孔20，纳米孔20包括例如在阵列中彼此邻近纳米孔的子集。在这种情况下，每个子集的纳米孔可独立于其它子集的纳米孔的打开/关闭而打开或关闭。
根据另一实例，纳米孔20全部打开或全部封闭。
由于上述原因，采样模块7提供了入口流的控制，其中可能存在纳米孔的打开或关闭的任何组合、图案和/或布置：例如，纳米孔全部打开(如图3和5)或纳米孔全部关闭(如图4所示)或一些纳米孔打开，而其它纳米孔关闭。此外，打开或关闭的纳米孔的组合、图案和/或布置可以以期望的方式随着时间动态地改变。
根据可能的实施选项，入口致动装置25被机电致动或电磁致动。
根据图5所示的实施例选项，每个小型化的打开/关闭构件26包括堵头26，可机电致动以通过相对于纳米孔20的轴向运动关闭或打开相应的纳米孔20。
根据另一个实施例选项，每个小型化的关闭/打开构件包括微悬臂梁，其可电磁致动，在振荡端具有适于插入到纳米孔中或从纳米孔中拔出的基本上锥形的尖端。
根据又一实施例选项，每个小型化的关闭/打开构件包括圆柱体，其直径基本上等于相应的纳米孔的直径，圆柱体可电磁致动以通过相对于纳米孔的轴向运动插入相应的纳米孔中或从纳米孔中抽出。
上述选项提供了每个纳米孔的单独和独立致动。
对于其中纳米孔的共同致动是足够用的应用，进一步的实施例选项提供了入口致动装置25包括多个打开/关闭振动平面构件，其被配置为同时打开/关闭调节界面2的所有纳米孔20。
在这种情况下，单个小型化的纳米孔打开/关闭构件能够以与纳米孔的配置对应的配置布置在平面构件的一侧上，使得在平面构件的相应运动时，每个小型化的打开/关闭构件同时插入到相应的纳米孔中或从相应的纳米孔中抽出。
根据实施实例，入口致动装置25布置在调节界面22的一侧，并且被配置为打开/关闭对应于该侧的每个纳米孔20的开口。
根据替代的实施实例，这种入口致动装置25(或其至少部分)布置在调节界面22的两侧上，并且被配置为打开/关闭每个纳米孔20的两个开口(该两个开口对应于调节界面22的两个侧面)，即由纳米孔形成的管状微通道的两端。在这种情况下，每个小型化纳米孔打开/关闭构件26被配置为在关闭的条件下从相应侧进入纳米孔20。
有利地，在每次关闭和随后的打开操作事件时或特定的防堵塞关闭/打开事件时，小型化的打开/关闭构件26也适于(或可配置)用于清洁和清除可能阻塞的每个纳米孔20(例如由于可沉积的分子单层)。该性质对于允许在大多数各种环境中使用该装置是重要的，包括具有污染物的工业过程的环境。
现在，考虑例如在图6和7中可见的出口构件3。
在实施实例中，出口构件3进一步被配置为随着时间控制和/或调制输出离子流I的强度。
为此目的，闸门36的运动可通过处理装置40进行机电控制，使得闸门36处于打开位置或关闭位置，在打开位置，闸门36保持完全打开孔口30，在关闭位置，保持孔口30气密地关闭，或者处于多个中间位置，其确定用于打开或部分阻塞孔口30的相应的多个条件。
另外，还可能根据期望的占空比以周期性的打开/关闭周期驱动闸门36。
在图7所示的实例中，闸门36具有钟摆的形式。
根据实施选项，出口致动装置35被配置为通过调节孔口30的开口的尺寸来控制输出气流Fo，并且通过孔口30的关闭和打开时段的持续时间或者孔口30的打开/关闭循环时间来控制出口离子流I的调制。
此外，出口致动装置35还被配置为通过调节孔口30的关闭持续时间和打开周期，或孔口30的关闭/打开周期时间(例如根据合适的振荡频率)来有助于控制电离室6中的压力。
根据具体的实施实例，控制装置40被配置为通过作用于电离室中的压力和/或通过作用于电离源61产生电子来控制出口离子流I的强度。
根据另一个实施实例，至少一个出口构件3进一步被配置为测量出口离子流I的强度。为此，闸门36可配备有离子束强度的仪表，或者这种强度仪表的一部分。
现在参考图6，将示出关于装置1的电离室6的进一步细节。
在实施例中，电离室6包括电离室控制装置65，并且进一步包括至少一个电离源61(例如，电子源)。
电离室6然后包括电离区域62，电离区域62包含通过调节界面22进入的气体颗粒，并且被布置为例如通过由电离源61产生的电子交叉来电离其中包含的气体颗粒，因此电离电子使这些气体颗粒(即，气体分子)电离，从而产生各自的离子(即，电离的分子)。
电离室6还包括第一离子提取装置63，其被配置为确定所生成的离子的优选轨迹，穿过至少一个第一离子提取窗口64，离子通过该窗口离开电离区域62，并且随后朝向出口构件3引导离子。为此目的，离子提取装置63包括时间和空间控制的电场和/或磁场的生成器。
电离源61可以是本身已知的电子发射源，例如EI(电子电离)源，特别是场效应“冷”发射源，诸如纳米管源或等离子体源，或通过激光电离。
根据图7所示的实施实例，离子提取装置63包括本身已知的至少一个提取器和/或离子引导件630，用于从电离区域62提取离子；并且进一步包括至少一个静电透镜631，其被配置为限定离子从离子提取窗口64到出口构件3的孔口30的路径，并且生成作为输出流的准直离子束I。
现在考虑具有上述结构方面的采样模块，显然，根据先前示出的内容，采样模块控制装置40可被配置为实现设备的功能目的。
具体而言，入口流和出口流Fo处于分子或主要是分子状态的事实意味着在电离室6中的部分气体浓度再现存在于外部环境A中(其中至少一个入口构件2暴露于该外部环境A中)的部分气体浓度；并且因此，输出离子流I中的部分离子浓度确定性地表征这种部分气体浓度。具体而言，在不同气体颗粒的电离横截面相等或非常相似的情况下，部分离子浓度精确地再现部分气体浓度。如果电离横截面不同，它们也仍然是确定性地已知具有高精确度，由此部分离子浓度也可以以确定性和精确的方式与部分气体浓度相关。
根据具体的实施选项，采样模块控制装置40还被配置为通过适当致动至少一个出口构件3，以受控的方式改变电离室6中的电离压力Pi，以便基于输入流、电离室的容积和输出孔口的有效流导(从零值开始直到最大值)来增加电离压力Pi，其又取决于至少一个出口构件3的打开/关闭的致动时间。
在该选项中，有利地，可能在电离室中“富集”气体混合物，同时保持在允许电离的压力条件下。因此，可增加离子流I的强度，从而增加随后的均匀离子束I’的强度，从而增加电输出信号S的信噪比，并且最终提高装置的分析精确度和灵敏度。这种信噪比的进一步改善效果可源自以合适的调制频率或“占空比”调制离子流I的强度的可能性。
现在参考图8，考虑过滤模块8。
根据实施例，离子过滤模块8包括过滤区域81，离子束I通过该过滤区域81从而被过滤。过滤区域81包括至少一个第二离子提取窗口84，至少一个均匀离子束I’通过该窗口离开过滤区域81和离子过滤模块8。
离子过滤模块8进一步包括至少一个电场和/或磁场生成器83，被配置为在所述滤波区域8中生成电场和/或磁场和/或电势，其振幅和/或频率和/或空间模式以受控方式变化；并且还包括过滤模块控制装置85，被配置为控制所述电场和/或磁场和/或电势的振幅和/或频率和/或空间模式，以便针对离子流I的离子，根据其相应质量控制轨迹或过滤区域81的穿过速度。
根据实施实例，离子流I包括具有不同的各自质量的不同类型的多个离子，并且过滤模块控制装置85被配置为针对与所选择的离子类型的质量不同的颗粒，选择确定穿过第二提取窗84的轨迹的离子类型。
根据另一个实施实例，离子流I包括具有各自不同质量的不同类型的多个离子，并且过滤模块控制装置85被配置为通过对具有与所选择的离子类型的质量相同的颗粒确定穿过速度来选择一种离子，为此这样的颗粒在所述第二提取窗口84打开时到达该窗口，并且替代地，通过对具有与所选择的离子类型质量不同的颗粒确定不同的穿过速度来选择一种离子，为此这样的颗粒在所述第二提取窗口84关闭时到达该窗口(其中，提取窗口84可以借助于闸门装置或者静电装置实现)。
根据实施选项，离子流I包括具有对应的不同质量的不同类型的多个离子，并且过滤模块控制装置85被配置为随时间顺序提取不同类型的离子，从而生成相应的均匀离子束I’的可调谐扫描。
根据实施实例，过滤模块8还包括第一消色差离子引导件88，被配置为在过滤区域81中引导接收的离子流I。
在实施例中，离子过滤模块8包括小型化滤质器81，83。
该滤质器81，83可例如通过单个四极滤质器或通过具有以不同组合耦合的四极的多个四极滤质器或者通过本身已知的磁扇区来实现。
在另一个实施例中，离子过滤模块8包括RF回旋加速器过滤器或“飞行时间”(TOF)滤质器。
根据图中未示出的另一实施选项，过滤模块8还包括进一步的过滤构件，被配置为形成化学反应池，以便区分具有等效或相似质量的不同化学物质的离子。
在实施实例中，化学反应池对应于上述消色差离子引导件88实现。
这种附加的过滤元件例如可布置在过滤区域81的上游。
根据实施实例，装置1还在进入过滤区域81之前和离开过滤区域81之后包括离子流监测构件。
在图8所示的实例中，过滤模块进一步包括电源87、加热器86和泵送装置95的泵送构件。
现在参考图9，考虑离子检测模块9。
根据实施例，离子检测模块9包括检测模块控制装置92以及一个或多个检测器91，每个检测器被配置为生成与入射到其上的离子束I’的强度成比例的电信号S。
根据各种实施选项，每个检测器91通过法拉第杯或者通过离散打拿极(discrete-dynode)SEM(第二电子倍增器)或者通过连续打拿极通道式倍增器或者通过具有高电压传感器的检测器(其本身是已知的)来实现。
根据实施例实例，离子检测模块9包括第二消色差离子引导件93，其被配置为将一个或多个接收的离子束I’引导向相应的检测器91。在实施实例中，该第二消色差离子引导件93可被配置为用作进一步的化学反应池。
在图9所示的实例中，离子检测模块进一步包括电源97、加热器94和泵送装置95的泵送构件。
有利地，根据实施例，离子过滤模块8包括多个第二提取窗口84，离子检测模块9包括相应的多个检测器91。此外，离子过滤模块控制装置85被配置为，朝向所述第二提取窗口84中的相应一个窗口平行发送不同的均匀离子束I’，所述离子束(I’)对应于相应的不同类型的离子；并且所述离子检测模块控制装置92被配置将从离子过滤模块8平行进入的均匀离子束I’中的每一束引导向相应的检测器91，以便并行地生成多个电信号(S)，每个电信号表征待分析的气体组分的相应气体颗粒
根据装置1的实施例，泵送装置95包括至少一个小型化的泵送构件和泵送控制装置。
根据各种实施选项，每个微型化泵送构件通过离子微泵或“吸气剂”实现。
根据图8所示的实例实施例，小型化泵送构件95安装在离子过滤模块8中，并且被配置为(通过出口构件3)保持采样模块7处于电离压力(Pi)条件下，并且离子过滤模块8和离子检测模块9处于等于或低于电离压力Pi的压力下。
根据其他实施选项，第二泵送构件安装在采样模块7中并且/或者第三泵送构件安装在离子检测模块9中。
在这种情况下，上述泵送构件通常被配置为在过滤模块8中维持低于电离压力Pi并且通常在10-5和10-7mbar之间的范围内的过滤压力Pf；并且在检测模块9中保持小于过滤压力Pf并且在10-6和10-8mbar之间的间隔内的检测压力Pr。
现在参考图1和图10至13中所示的装置的进一步的结构和功能方面，应注意以下方面。
根据实施例，装置1还包括与采样模块7、离子过滤模块8、离子检测模块9和泵送装置95操作连接的处理装置4，诸如处理器4。
处理装置4被配置为控制采样模块控制装置40、电离室控制装置65、离子过滤模块控制装置85、离子检测模块控制装置92和泵送控制装置。
此外，处理装置4被配置为从离子检测模块9接收表征气体浓度的一个或多个电信号S，并使相关结果可用。
根据进一步的实施例，装置1进一步包括至少一个内部压力传感器，其被配置为测量存在于装置内部的压力值，以及至少一个进一步的外部压力传感器50，其被配置为测量外部环境的压力值Pa。
根据实施选项，装置1包括多个内部压力传感器，其被配置为分别检测采样模块7、过滤模块8和离子检测模块9内部的相应压力值。
根据实施例，装置1还包括输入/输出界面51(在图5中示出)，其可操作地连接到电子处理装置4，并且被配置为向设备外部发送或从设备外部接收控制和/或监测和/或校准和/或诊断信号。
在本发明包括的各种实施实例中，处理装置4被配置为基于经由输入/输出界面51来自装置外部的控制信号和/或基于通过小型化的压力传感器测量的压力值和/或测量的束的电流和/或测量的质谱来控制装置的功能值。
在进一步的实施实例中，装置1被配置为基于与参考结果的比较来校准分析的结果，所述参考结果可通过将装置1放置为通过第二入口构件与存在已知气体组分的进一步的环境进行通信而获得。
有利地，在装置处于操作状态并且不干扰由装置执行的分析的结果时执行调整过程。
在另一个实施实例中，装置1被配置为通过提供面向这样的环境的另外的相应入口构件来平行执行若干不同环境的分析。
可选地，装置1还包括参考压力传感器(图中未示出)，其封装在密封和/或可打开的环境中，并且被配置为向处理装置4提供参考信号以用于校准和/或诊断装置的功能。
根据实施实例，装置1还包括电源界面55(在图5中示出)。
根据实施实例，装置1还包括用于电离室的电源68(在图6中示出)。
装置1还可包括在处理装置4的控制下被配置为保持期望温度的受控加热装置。
具体而言，根据实施选项，这些受控加热装置至少包括调节界面22中的第一加热器52、采样模块7中的至少一个第二加热器62、离子过滤模块8中的至少一个第三加热器86以及离子检测模块9中的至少一个第四加热器94。
根据进一步的实施实例，装置1还包括颗粒过滤装置53，其布置成覆盖整个装置(例如，配备有具有微米尺度框架的过滤器)。
此外，装置1可包括保护薄膜，被配置为减少处理气体的吸附(例如，疏水膜以防止吸附存在于处理环境中的水分)并防止腐蚀。
应当注意，电子处理装置4可被配置为基于从压力传感器接收的数据，离子束的强度的测量数据和/或与预定要放置装置的标称预定操作条件或操作环境条件相关的存储数据的处理来执行装置1的诊断程序，以便识别装置的可能的操作异常。
另外，电子处理装置4被配置为，如果诊断过程给出否定结果，则通过作用于装置的操作参数来执行用于装置的调整和/或补偿和/或优化的过程，以便基于上述诊断过程的结果校正和/或补偿所识别的操作异常。
现在参考结构实施的方面，应当注意，在实施例中，装置1包括界面和控制芯片10，其中至少实施了调节界面22和采样模块7的第一致动装置25以及电子处理装置4。装置1然后包括至少一个处理芯片，其中采样模块7的电离室6、离子出口构件3和第二致动装置35，以及离子过滤模块8、离子检测模块9和第二泵送装置95。在这种情况下，界面和控制芯片10与至少一个处理芯片重叠，使得采样模块7的相应部分匹配，此外，界面和控制芯片10连接到至少一个处理芯片以便确保真空密封并与其形成单个集成装置。
在图10至13所示的实施例中，装置1具体包括三个处理芯片11，12，13。
采样模块7的电离室6、离子出口构件3和第二致动装置35在第一处理芯片11中实现。离子过滤模块8在第二处理芯片12中实现。离子检测模块9和泵送装置95在第三处理芯片13中实现。
三个处理芯片11，12，13以真空密封的方式相互连接，以允许离子通道从采样模块7的离子出口构件3通向离子过滤模块8的过滤区域81，直到离子检测模块9的至少一个检测器91。
根据实施选项，每个处理芯片11，12，13包括真空防护覆盖构件54。可选地，这样的覆盖构件54还被配置为将电子部件与其余功能部件物理分离，但允许操作连接。
根据图12和13所示的实施例，装置1进一步包括集成在装置1中的小型化连接器构件58，并且被配置为将界面和控制芯片10与至少一个处理芯片11物理分离，而同时，允许它们之间的操作连接。
下面，将描述本发明中包括的方法。
本发明包括一种用于通过便携式分析装置1在环境压力Pa下自动分析环境A中的气体组分的方法。
该方法包括以下步骤：在所述便携式装置1中产生并保持电离压力条件Pi；之后调节从环境A进入到所述装置1的采样模块7的气体颗粒的输入气流Fi，以及另外，以如下方式调节来自所述采样模块7的输出气流Fo，即所述输入气流Fi是在环境压力Pa下的分子或主要是分子状态的气流，并且所述输出气流Fo是在电离压力Pi下的分子或主要是分子状态的气流，以使得所述采样模块7中的气体组分表征待分析的气体组分。
所述方法之后包括以下步骤：电离采样模块7内的气体颗粒，以便获得表征待分析的气体组分的离子组分；以及从采样模块7提取所生成的离子，以生成具有离子组分的离子流I，所述离子组分表征待分析的气体组分。
所述方法还包括以下步骤：在所述便携式分析装置1的与采样模块7连通的过滤模块8中可控地选择离子流I中存在的至少一种类型的离子，以便生成对应的至少一个均匀离子束I’，其强度表征所述待分析的气体组分中的相对应的气体颗粒的浓度；之后从离子过滤模块8提取上述的至少一个均匀离子束I’，并且通过便携式分析装置1的离子检测模块9测量所述至少一个离子束I’的强度，以生成相应的电信号(S)，该信号表示待分析的气体组分中相对应的气体颗粒的浓度。
根据具体的应用实例，该方法进一步包括在执行上述步骤之前，在气体环境中放置根据前述任一实施例的用于分析气体组分1的装置的步骤。
根据实例实施例，上述选择步骤进一步包括以下步骤：顺序地选择存在于离子流I中的多个不同类型的离子，以获得离子束I’相应的顺序，以便顺序地测量待分析的组分中的气体颗粒的浓度。
根据另一个实例实施例，上述选择步骤还提供在空间上区分存在于离子流I中的多个不同类型的离子；上述提取步骤提供从所述过滤区域提取多个相对应的均匀离子束I’；上述测量步骤提供由离子检测模块9中包括的相应的检测器91平行地测量所述均匀离子束I’的强度，以生成相应的电信号S，该信号表示待分析的气体组分中相应的气体颗粒的浓度。
本发明还包括分析在真空压力下的处理环境内部进行的工业过程和分析向所述处理环境外部发射排出气体的方法。
该方法包括以下步骤：对应于排出气体的排出开口，安装根据前述任一个实施例所述的装置1；之后通过根据前述任一个实施例所述的方法在不同于真空压力的压力下分析排出气体。
可以看出，本发明的目的通过前述的装置，通过所示的特征来实现。
从上面的描述中，显然本发明的装置能够以高精确度分析气体组分，并且同时，该装置可被构造成紧凑和便携的，甚至作为集成和自给自足的装置。
事实上，由于装置的结构以及进入的气流的相关控制功能，可以从真空压力开始操作，并且通过将气体微流从待分析的环境(其通常不处于真空压力)注入到装置，以受控的方式来增加气体微流。因此，与现有技术相反，不需要为了获得电离所需的真空压力而向外部泵送气体宏流。因此，电离环境和泵送装置以及装置的其它组件可容易地小型化。最后，与所引用的已知解决方案相比，这允许以更紧凑和更便宜的方式实现装置，并且因此获得便携式并且适于容易地安装在任何地方的装置。
此外，由于如上所述，进入和离开电离环境的气流保持在分子或主要是分子状态的事实，所述装置允许在电离环境中以极大的保真度再现要分析的气体组分。该特征允许显著提高气体组分的分析的准确度和灵敏度。
另外，如上所述，通过适当地控制进入和离开装置中的电离环境的气流，可能在保持与电离兼容的真空压力的同时，丰富电离环境中的气体颗粒的密度。这允许改善输出信号的信噪比，因此进一步提高了装置的灵敏度和精确度。
最后，上述诊断和自调节程序允许装置具有一定程度的自给自足能力，例如使其多用途、可靠并且适用于各种各样的用途。
在先前描述的用于气体组分分析的方法中可识别类似的优点。
对于上述用于分析气体组分的装置的实施例以及相关方法，本领域技术人员为了满足依情况而定的要求，可用其他功能等同的构件来修改、改编和替换构件，甚至与现有技术一起，甚至创建混合实施例，而不脱离所附权利要求的范围。被描述为属于可能的实施例的每个特性可独立于所描述的其他实施例来实现。还要注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多个。此外，附图不一定按比例；相反，通常重要的是说明本发明的原理。
Claims (18)
1.一种用于分析在环境压力(Pa)下存在于环境(A)中的气体组分的电子装置(1)，所述装置是便携式的并且适于放置在所述环境(A)中，并且包括：
-气体采样模块(7)，被配置为以可控方式调节来自所述环境(A)的气体颗粒的输入气流(Fi)和输出气流(Fo)，以便在所述采样模块(7)内再现表征待分析的所述气体组分的气体组分，并且被配置为电离所述气体颗粒并且发射所产生的离子，以便生成具有表征待分析的所述气体组分的离子组分的离子流(I)；
-离子过滤模块(8)，可操作地连接到所述采样模块(7)以接收所述离子流(I)，并且被配置为可控地选择存在于所述离子流(I)中的至少一种类型的离子，并且生成相对应的至少一个均匀离子束(I’)，所述至少一个均匀离子束(I’)的强度表征待分析的所述气体组分中的相对应的气体颗粒的浓度；
-离子检测模块(9)，可操作地连接到所述离子过滤模块(8)以接收所述至少一个均匀离子束(I’)，并且被配置为测量所述至少一个均匀离子束(I’)的强度以及生成相对应的电信号(S)，该电信号(S)表征待分析的所述气体组分中相对应的气体颗粒的浓度；
-泵送装置(95)，被配置为从所述装置(1)抽出气体，以便控制存在于所述采样模块(7)内部的电离压力(Pi)；
其中，所述输入气流(Fi)包括在所述环境压力(Pa)下处于分子或主要是分子状态的多个微流，并且所述输出气流(Fo)是在电离压力(Pi)下处于分子或主要是分子状态的流。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述装置(1)是集成装置。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述环境压力(Pa)是大气压力或更高，并且所述电离压力(Pi)是范围在10-2mbar和10-6mbar之间的真空压力。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述采样模块(7)包括：
-电离室(6)，适于保持在所述电离压力(Pi)下，并且被配置为容纳和电离所述气体颗粒；
-入口构件(2)，被配置为控制所述输入气流(Fi)的所述电离室中的入口，并且包括气流调节界面(22)，所述气流调节界面具有多个亚微米尺寸的纳米孔(20)，该纳米孔(20)适于以受控的方式被打开或关闭，以允许或抑制处于分子或主要是分子状态的所述多个微流；
-离子出口构件(3)，可操作地连接到所述离子过滤模块(8)，被配置为控制处于分子或主要是分子状态的所述输出气流(Fo)和所生成的离子的离子流(I)。
5.根据权利要求4所述的装置(1)，其中，所述离子出口构件(3)包括孔口(30)，适于以受控方式被打开或关闭，以便控制所述输出气流(Fo)的输出流导。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其中，所述采样模块(7)进一步包括：
-第一致动装置(25)，包括多个小型化的纳米孔打开/关闭构件(26)，每个小型化的纳米孔打开/关闭构件(26)适于打开或关闭相对应的纳米孔(20)以便分别最大化或最小化所述纳米孔(20)的流导；
-第二致动装置(35)，包括闸门(36)，被配置为以受控方式完全关闭或保持完全打开或部分地阻塞所述离子出口构件(3)的所述孔口(30)；
-采样模块控制装置(40)，被配置为控制所述第一致动装置(25)和第二致动装置(35)。
7.根据权利要求4所述的装置(1)，其中，所述电离室(6)包括：
-至少一个电离源(61)；
-电离区域(62)，包含已经通过所述调节界面(22)进入的气体颗粒，所述电离区域(62)被布置为电离所述气体颗粒并生成相对应的离子；
-第一离子提取装置(63)，被配置为针对所生成的离子确定优选轨迹并且随后朝向所述离子出口构件(3)引导所述离子，其中所生成的离子穿过至少一个第一离子提取窗口(64)并且所述离子通过该第一离子提取窗口(64)离开所述电离区域(62)；
-电离室控制装置(65)。
8.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述离子过滤模块(8)包括：
-过滤区域(81)，其中所述离子流(I)通过所述过滤区域(81)而被过滤，所述过滤区域(81)包括第二离子提取窗口(84)，所述至少一个均匀离子束(I’)通过该第二离子提取窗口(84)离开所述过滤区域(81)和所述离子过滤模块(8)；
-至少一个电场和/或磁场生成器(83)，被配置为在所述过滤区域(81)中生成电场和/或磁场和/或电势，该电场和/或磁场和/或电势的振幅和/或频率和/或空间模式以受控方式变化；
-过滤模块控制装置(85)，被配置为控制所述电场和/或磁场和/或电势的振幅和/或频率和/或空间模式，以便针对所述离子流(I)的离子，根据该离子的相应质量控制轨迹或过滤区域(81)的穿过速度。
9.根据权利要求8所述的装置(1)，其中，所述离子流(I)包括具有相对应的不同质量的多个不同类型的离子，并且其中，所述过滤模块控制装置(85)被配置为选择一种类型的离子：
-对与所选择的离子类型的质量相同的颗粒，施加穿过所述第二离子提取窗口(84)的穿过轨迹，以及对与所选择的离子类型的质量不同的颗粒施加不穿过所述第二离子提取窗口(84)的穿过轨迹；
-或者对与所选择的离子类型的质量相同的颗粒施加穿过速度，使得所述颗粒在所述第二离子提取窗口(84)打开时到达该第二离子提取窗口(84)，并且替代地，对与所选择的离子类型的质量不同的颗粒施加不同的穿过速度，使得所述颗粒在所述第二离子提取窗口(84)关闭时到达该第二离子提取窗口(84)。
10.根据权利要求8或9中的一项所述的装置(1)，还包括进一步的过滤构件，被配置为形成化学反应池，以便区分具有相同或相近质量的不同化学物质的离子。
11.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述离子检测模块(9)包括：
-一个或多个检测器(91)，每个被配置为生成与入射在所述检测器(91)中的离子束(I’)的强度成比例的电信号(S)；
-检测模块控制装置(92)。
12.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述离子过滤模块(8)包括多个第二离子提取窗口(84)，并且过滤模块控制装置(85)被配置为朝向所述第二离子提取窗口(84)中的相应一个窗口平行发送不同的均匀离子束(I’)，所述均匀离子束(I’)对应于相应的不同类型的离子，
并且其中，所述离子检测模块(9)包括相应的多个检测器(91)，并且所述检测模块控制装置(92)被配置将从所述离子过滤模块(8)平行进入的所述均匀离子束(I’)中的每一个均匀离子束(I’)向相应的检测器(91)引导，以便并行地生成多个电信号(S)，每个电信号表征待分析的所述气体组分的相应气体颗粒。
13.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述泵送装置(95)包括安装在所述过滤模块(8)中的第一泵送构件，和/或安装在所述采样模块(7)中的第二泵送构件，和/或安装在所述离子检测模块(9)中的第三泵送构件，
并且其中，所述泵送构件被配置为：确定所述电离压力(Pi)，确定所述过滤模块(8)内部的低于所述电离压力(Pi)并且通常在10-5和10-7mbar之间的过滤压力(Pf)；以及确定所述检测模块内部的低于所述过滤压力(Pf)并且在10-6和10-8mbar之间的检测压力(Pr)。
14.根据权利要求1所述的装置(1)，进一步包括至少一个内部压力传感器，被配置为测量存在于所述装置内部的电离压力(Pi)的值；和至少一个进一步的外部压力传感器(50)，被配置为测量外部环境的压力值(Pa)。
15.根据权利要求6所述的装置(1)，包括：
-界面和控制芯片(10)，其中，至少实施了所述采样模块(7)的所述调节界面(22)和所述第一致动装置(25)以及电子处理装置(4)；
-至少一个处理芯片，其中，实施了所述采样模块(7)的所述电离室(6)、所述离子出口构件(3)和所述第二致动装置(35)，以及此外，所述离子过滤模块(8)、所述离子检测模块(9)和所述泵送装置(95)；
其中，所述界面和控制芯片(10)与所述至少一个处理芯片重叠，使得所述采样模块(7)的相对应的部分匹配，并且此外，所述界面和控制芯片(10)连接到所述至少一个处理芯片，以确保真空密封并与所述处理芯片形成单个集成装置；
其中，所述至少一个处理芯片包括三个处理芯片(11，12，13)，其中分别实施：
-所述采样模块(7)的所述电离室(6)、所述离子出口构件(3)和所述第二致动装置(35)，
-所述离子过滤模块(8)，
-所述离子检测模块(9)和所述泵送装置(95)，
所述三个处理芯片(11，12，13)以真空密封的方式相互连接，以便允许离子通道从所述采样模块(7)的离子出口构件(3)通向所述离子过滤模块(8)的过滤区域(81)，直到所述离子检测模块(9)的至少一个检测器(91)。
16.一种用于通过便携式分析装置(1)在环境压力(Pa)下自动分析环境(A)中的气体组分的方法，所述方法包括以下步骤：
-在所述装置(1)的采样模块(7)内产生并保持电离压力(Pi)条件；
-以如下方式在所述装置(1)的所述采样模块(7)中以可控方式调节来自所述环境(A)的气体颗粒的输入气流(Fi)以及以可控方式调节来自所述采样模块(7)的输出气流(Fo)：所述输入气流(Fi)是在环境压力(Pa)下处于分子或主要是分子状态的流，并且所述输出气流(Fo)是在电离压力(Pi)下处于分子或主要是分子状态的流，以使得所述采样模块(7)中的气体组分表征待分析的所述气体组分；
-电离所述采样模块(7)内的气体颗粒，以便获得表征待分析的所述气体组分的离子组分；
-从所述采样模块(7)提取所生成的离子，以生成具有表征待分析的所述气体组分的离子组分的离子流(I)；
-在所述便携式分析装置(1)的与所述采样模块(7)连通的过滤模块(8)中可控地选择所述离子流(I)中存在的至少一种类型的离子，以便生成相对应的至少一个均匀离子束(I’)，该至少一个均匀离子束(I’)的强度表征待分析的所述气体组分中的相对应的气体颗粒的浓度；
-从所述过滤模块(8)提取所述至少一个均匀离子束(I’)；
-通过所述便携式分析装置(1)的离子检测模块(9)测量所述至少一个均匀离子束(I’)的强度，以生成相对应的电信号(S)，该电信号(S)表征待分析的所述气体组分中相对应的气体颗粒的浓度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
-选择步骤包括在空间上或时间上区分存在于所述离子流(I)中的多个不同类型的离子；
-提取步骤包括从所述过滤模块(8)中的过滤区域提取多个相对应的所述均匀离子束(I’)；
-测量步骤包括通过所述离子检测模块(9)中包括的相对应的检测器(91)平行地测量所述均匀离子束(I’)的强度，以便生成相应的电信号(S)，该电信号(S)表征待分析的所述气体组分中的相应的气体颗粒的浓度。
18.一种分析在真空压力下的处理环境内部执行的工业过程并向所述处理环境外部发射排出气体的方法，所述方法包括以下步骤：
-在所述排出气体的排出开口处安装根据权利要求1至15中任一项所述的装置(1)；
-通过根据权利要求16或17中任一项所述的方法在不同于所述真空压力的压力下分析所述排出气体。
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