CN106716122B - 用于离子迁移光谱仪的闸 - Google Patents
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Abstract
一种离子迁移光谱仪(20)的闸，该闸具有三个平行的电极表面(13、11、12),所述电极表面(13、11、12)分别具有相互间隔电极元件,以使得离子穿过每个电极表面。所述闸具有用于在三个电极表面设定电压以打开和关闭闸的电路。所述电路用于通过在所述第一电极表面(11)处设定比所述第三电极表面和第二电极表面(13、12)处存在的电压小的电压，用于关闭所述闸，并且为了使一些离子短暂通过所述闸，所述电路在所述第一电极表面(11)处设定比所述第三电极表面和第二电极表面(13、12)处存在的电压大的电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于离子迁移光谱仪的闸(shutter),该闸包括:
-第一电极表面,该第一电极表面具有设置在第一平面并彼此相距一定距离的多个第一电极元件；
-第二电极表面,该第二电极表面平行于所述第一电极表面并离该第一电极表面一定距离设置,并具有设置在第二平面并彼此相距一定距离的多个第二电极元件；以及，
-用于在所述第一电极元件和所述第二电极元件之间施加电位差的电路。
这样的闸被称为廷德尔-鲍威尔(Tyndall-Powell)闸。
背景技术
在离子迁移光谱仪中，用于分析的分子被电离并且随后由于在光谱仪中的一般电位差被运送到闸。通过在所述第一电极元件和所述第二电极元件之间施加反向的电位差，也就是说与一般的电位差相反的电位差，所述闸关闭并防止所述离子通过所述闸并朝向所述光谱仪的集电板前进。另一方面，如果在所述第一电极元件和第二电极元件上施加正向电位差，也就是说与所述光谱仪中的一般电位差相同的电位差，则所述闸打开并使得所述离子可以通过并进一步在收集板的方向上继续前进。
当短暂切换所述第一电极元件和第二电极元件上的电位差从反向到正向然后回到反向时，也就是说所述闸被短暂打开然后关闭时，在所述收集板的方向上发射短时间爆发的离子通过所谓的漂移空间。
电场或漂移电位施加在所述闸和所述收集板之间的这一漂移空间上，由此所述离子将在所述收集板的方向上迁移。不同类型的离子在所述漂移电位内具有不同的位移速度，这被称为离子迁移，由此该离子迁移，一种类型的一群离子与另一种类型的一群离子在不同的时间到达所述收集板。
一群离子从闸移动到收集板所花时间还被称为漂移时间，在该漂移时间的基础上，可以确定涉及哪种离子以及因此确定涉及哪种分子。
然而公知的闸的缺点在于，当闸被短暂打开和再关闭时，一群相对狭长的离子在收集板的方向喷射。为了能够测量不同类型的离子之间的漂移时间中的不同，必要的是在整个漂移空间的长度上完全拉开不同的离子群作为特定离子迁移的结果。
因为被喷射通过所述闸的离子群是狭长的，因此所述漂移空间需要相当长的长度。这一长度通常达到至少大约4到20厘米。
所述漂移空间的这一长度的另外的缺点在于，该空间的外壳必须符合高度特定的设计要求以获得通过所述空间的均匀的电位差。
已知闸的另一缺点在于，所喷射的离子群的形状具有不规则的形式。这样的形状在一定程度上类似黄貂鱼的形状。所述收集板上的一群特定的离子的检测曲线由此将不规则成形，从而更加难以区分不同离子彼此之间的不同的漂移时间。
所有这些所指出的缺点使得公知的离子迁移光谱仪的尺寸难以减少。
现有技术
在斯蒂芬·查尔斯·丹森(Stephen Charles Denson)名为《用电容跨阻放大器改进微型离子迁移光谱仪的灵敏度和分辨率》(“Improving the sensitivity andresolution of Miniature Ion Mobility Spectrometers with a Capacitive Trans-Impedance Amplifier”)(XP055153585)的博士论文中，公开了一种三组件离子束闸，提出了该闸除了使用另一组件的第三屏，其它都参照与二组件压缩闸相同的方式操作，所述另一组件的第三屏能够提供穿过漂移管半径的均匀电位梯度。(位于第一和第二屏之间的)第二屏(S2)上的电压被改变来控制所述闸的同时，在第一屏(S1)和第三屏(S3)上的电压保持恒定。为了关闭该闸，在屏S2处的绝对电压设定为比在屏幕S1和S2处的更高(|VS1|<|VS2|>|VS3|)，在S1和S2之间的反向电位差阻止离子到达第二屏。通过减低|VS2|来打开所述闸，使得均匀正向的电位梯度被施加在S1和S3之间的空间(|VS1|>|VS2|>VS3|)。由该第三屏提供的优点被提出为，当闸关闭时，屏幕S1之前的区域中的离子浓度不会减少。然而，正如廷德尔-鲍威尔闸，该参考文献提出所述三个组件闸必须保持打开以便离子穿行两个闸平台，否则离子将在闸关闭时丢失。
在该参考文献中的三组件闸仍通过设定闸打开的时间长度来确定被准许进入漂移空间中的离子群的尺寸，并且只要正向的电位被施加在三个屏上，所述闸将保持打开并持续准许原子进入漂移空间。
发明内容
为了减轻上述现有技术中所提到的缺点，本发明提供一种用于离子迁移光谱仪的闸，该闸包括：
-第一电极表面,该第一电极表面具有设置在第一平面并彼此相距一定距离的多个第一电极元件；
-第二电极表面,该第二电极表面平行于所述第一电极表面并离该第一电极表面一定距离设置,并具有设置在第二平面并彼此相距一定距离的多个第二电极元件；
-第三电极表面，所述第三电极表面带有设置在第三平面中的并彼此相距一定距离的电极元件，其中所述第三电极表面平行于所述第一电极表面并离该第一电极表面一定距离设置，并且其中所述第三电极表面设置在相对于所述第二电极表面的第一电极表面的相反侧；以及，
-电路，该电路用于设定三个所述电极表面处的电压，以便打开和关闭所述闸，
其中所述电路用于通过在所述第一电极表面处设定比所述第三电极表面和第二电极表面处存在的电压小的电压，关闭所述闸，并且所述电路用于通过在所述第一电极表面处设定比所述第三电极表面和第二电极表面处存在的电压大的电压，使一些离子短暂通过所述闸。
当所述闸用于离子迁移光谱仪中时，离子或被电离的分子将首先到达第三电极表面。一旦所述离子已经通过所述第三电极表面，它们将到达所述第一电极表面和第二电极表面，至少就所述闸的关闭位置而言，所述第一和第二电极表面以与廷德尔-鲍威尔闸相同的方式操作。
一旦如通常的廷德尔-鲍威尔闸中那样将所述第一电极表面和第二电极表面之间的电位反向，同时所述第三电极表面的电位保持相同，所述第一电极表面和第三电极表面之间的离子就会被吸引到所述第三电极表面，而所述第一电极表面和第二电极表面之间的离子在漂移空间的方向上被推进。
其结果在于，甚至当所述闸相当长时间保持打开时，只有位于所述第一电极表面和第二电极表面之间的离子可以继续进入漂移空间。这是因为进一步的离子供应被阻止在第三电极表面处。
由于所述闸一打开，没有发生进一步离子供应，因此通过设置第三电极表面，被准入离子群的长度则可以保持较短。
现在，离子群的长度可以保持较短，不同类型离子的群将被更快地拉开，由此所述收集板可以在离所述闸较短的距离设置，同时在不同离子群的检测上可以实现相同的精度。
另外还可以发现的是，经由本发明的闸喷射的所述离子群的形状更加均匀，尤其是更加线性并平行于收集板表面，由此检测一种离子群的时间过程也更短了。
因此，可以由此更加容易地做出不同群之间的区分。
本发明的闸的实施方式中，第一电极元件、第二电极元件和/或第三电极元件是狭长的。例如这些可以是平行电线或线性导电层。
本发明的闸的另一种实施方式中，所述第一电极元件、第二电极元件和/或第三电极元件在各自平面内彼此连接并形成栅形电极。
通过使用线性或栅形电极可以形成均匀的电场，从而可以在本发明的闸打开和关闭期间获得长度短的均匀离子群。
本发明的闸的优选实施方式包括用于保持所述第二电极元件和所述第三电极元件的电位相等的机构。
保持所述第二电极元件和所述第三电极元件的电位相等确保了在闸打开和关闭期间所述第三电极表面上游的电场和所述漂移空间的电场可以最低程度上受影响。这不考虑所述第一电极表面的电位在打开和关闭期间被改变的事实。
在所述闸的又一个实施方式中，所述第一电极元件之间的节距与所述第二电极元件之间的节距相等。
因为所述节距保持相同，所述离子遇到较少的来自所述电极的阻碍，并且所述离子群可以更容易地均匀成形。
优选所述节距少于1mm并且优选为400μm，而所述电极之间的距离少于500μm，优选为200μm。
在所述闸的优选实施方式中，所述第三电极元件之间的节距比所述第一电极元件之间的节距小3到10倍。
在这种情况下，所述第一电极元件之间的节距是200μm，所述第三电极元件之间的节距处于66μm和20μm之间。
所述闸的再一个实施方式包括：
-设置有大量开口的第一板状载体；
-设置在所述板状载体第一侧上并形成第一电极元件的导电层；
-设置在与所述第一侧相反的第二侧上并形成第二电极元件的导电层；
-设置有大量开口的第二板状载体，并且其中两侧设置有形成所述第三电极元件的导电层；以及
-设置在第一板状载体和所述第二板状载体之间的垫片。
通过将电极设置在板状载体例如玻璃层上作为导电层，可以获得尺寸的高精确度。这有助于形成均匀的电场，并且因此有助于均匀的离子群的形成。
除此之外，所述闸可以容易地通过这一实施方式生产。具有开口和设置在两边的导电层的板状载体的制造是成熟的技术。也可以通过使用比如由板状材料形成的垫片，容易地将其上具有电极表面的多个所述板状载体以彼此之间相距适当的距离且彼此平行设置。
所述发明进一步提供一种离子迁移光谱仪，该离子迁移光谱仪包括：
-本发明的闸；
-平行于所述第二电极表面并离所述第二电极表面一定距离设置的收集板，所述收集板用于检测多个离子群的到达。
在所述离子迁移光谱仪的实施方式中，进一步包括设置在所述闸和所述收集板之间的第二垫片，其中所述闸由用于多个电极表面的多个板状载体形成。
离子迁移光谱仪的这样的实施方式可以以简单和紧凑的方式生产。由此可以制作紧凑的装置，通过所述装置可以非常精确地检测不同的物质。根据本发明的离子迁移光谱仪的应用示例为，检测非法物品，尤其是飞机乘客行李中的爆炸物。
附图说明
参考附图，进一步阐明本发明的这些和其他特征，其中
图1A和1B示意性地示出了现有技术的闸；
图2A和2B示意性地示出了根据本发明的闸的实施方式；
图3示出了根据图2的闸打开之后的整个一段时间中一群离子的示意性表现；
图4示出了离子迁移光谱仪的一种实施方式中的带有分解部分的立体图；以及
图5示出了根据图4的实施方式的电路图。
具体实施方式
图1A和1B示意性地示出了现有技术闸，该闸根据前述的廷德尔-鲍威尔原理操作。该现有技术闸1具有第一电极表面2，该第一电极表面2带有彼此相距一定距离设置的多个狭长第一电极元件3。所述第二电极表面4设置在离第一电极表面2一定距离处。该第二电极表面4同样具有多个狭长第二电极元件5，该多个狭长第二电极元件5彼此相距一定距离设置。
闸1在图1A中处于关闭位置，其中在第一电极元件3和第二电极元件5之间，在与方向I相反的方向上施加反向的电位差，而离子从所述方向I供应。
在图1B中第一电极元件3和第二电极元件5之间的所述电位差在与正向的方向I相同的方向上，从而所述离子可以通过闸1。
紧随闸打开和再次关闭的是，如已经提到的，将形成不规则的一群离子。
图2A和2B示意性地示出了根据本发明的闸10的实施方式。闸10具有分别彼此平行设置的第一电极表面11、第二电极表面12和第三电极表面13。第三电极表面13的电极元件14优选具有比第一电极15和第二电极16更小的节距。
闸10在图2A中处于关闭位置，其中第一电极表面11和第二电极表面12之间施加反向的电位差，即在与离子供应方向I相反的方向上。
所述闸在图2B中移动到打开位置中，其中第一电极表面11和第二电极表面12之间的电位差被切换为正向方向。然而在这里，第三电极表面13的电位还维持恒定，从而第一电极表面11和第三电极表面13之间施加反向的电位差，防止离子流经过所述第三电极表面13。
所以，即使闸10处于打开位置，离子不能自由地从供应方向I通过闸10。只有存在于第一电极表面11和第二电极表面12之间的一些离子可以继续前进。
图3示出了闸10打开之后的整个一段时间中一群离子的示意性表现。
在0μs时，将第一电极表面11和第二表面12之间的电位差切换为正向方向。因为现在第一电极表面11和第三电极表面13之间的电位差反向方向上，所述离子群Z将大量地返回到所述第三电极表面13上(见10μs和20μs)。
只有离子群Z的一小部分Zs将在方向I上被第二电极表面12排斥，以使得这些离子可以继续前进。
因此所形成的持续离子群Zs是均匀并且几乎是线状的。另外在方向I上的长度比现有技术更加大大受限。
原则上只要需要，闸10可以保持打开。在图3中，第一电极表面11和第二电极表面12之间的电位差再一次在40μs时被切换为关闭所述闸10，使得闸10再次回到如0μs时所示的情况。
图4示出了根据本发明的离子迁移光谱仪的一种实施方式20的带有分解部分的透视图。
所示离子迁移光谱仪包括闸，该闸具有第一电极表面11、第二电极表面12和第三电极表面13。
所示第一和第二电极表面11、12形成为板状载体上的导电层，所示板状载体具有多个开口21。
第三电极表面13也设置在具有多个开口22的板状载体上。
垫片23设置在具有开口21的第一板状载体和具有开口22的第二板状载体之间,其还包括连接件24，所述连接件24用于为第一电极表面11提供电位。
金属电极25被进一步设置,用于接触具有开口22的所述板状载体，以便为第三电极表面13提供电位。
第二垫片26设置在第二电极表面12下面，该第二垫片26形成了漂移空间。还被称为收集栅(collector grid)的另一板状载体27设置在该垫片26下面，该板状载体27具有多个开口29，还具有在其下面的可以检测离子群到达的收集板28。
图5示出了根据图4的实施方式20的电路图。
该电路图示出了所述不同电极表面11、12、13和收集栅27如何彼此电连接，使得可以在所述离子迁移光谱仪20上得到合适的电位降。
收集板28连接于放大器30，以使得可以检测到离子群的到达。
在该电压电路图中，电位的变化V沿着离子供应方向I上的长度Z而显示。实线示出了闸11、12、13的关闭位置中的电位的变化V，而虚线示出了闸11、12、13打开位置中的电位的变化V。
在所述第三电极13处和所述第二电极12处的电压是相等的，并且当所述闸关闭(实线)以及当所述闸打开(虚线)时都保持一致。仅仅在所述第一电极11上的电压被改变以在所述闸的打开和关闭状态之间切换。在关闭状态中，第一电极11处的电压比第二和第三电极处的电压低，然而在打开状态中，第一电极11处的电压比另两个电极处的电压高。
虚线中的峰值31优选对应于振幅为300V的电压脉冲，并且更优选地对应于振幅为600的电压脉冲，所述脉冲的持续时间为10μs，或者更优选地为20μs。
Claims (9)
1.一种用于离子迁移光谱仪的闸,该闸包括:
-第一电极表面(11),该第一电极表面(11)具有设置在第一平面并彼此相距一定距离的多个第一电极元件；
-第二电极表面(12),该第二电极表面(12)平行于所述第一电极表面并离该第一电极表面一定距离设置,并具有设置在第二平面并彼此相距一定距离的多个第二电极元件；
-第三电极表面(13)，所述第三电极表面(13)带有设置在第三平面中的并彼此相距一定距离的电极元件，其中所述第三电极表面(13)平行于所述第一电极表面并离该第一电极表面(11)一定距离设置，并且其中所述第三电极表面(13)设置在相对于所述第二电极表面(12)的第一电极表面(11)的相反侧；以及，
电路，该电路用于设定三个所述电极表面处的电压，以便打开和关闭所述闸，
其特征在于，
所述电路用于通过在所述第一电极表面(11)处设定比所述第三电极表面和第二电极表面(13、12)处存在的电压小的电压，关闭所述闸，并且所述电路用于通过在所述第一电极表面(11)处设定比所述第三电极表面和第二电极表面(13、12)处存在的电压大的电压，使一些离子短暂通过所述闸。
2.如权利要求1所述的闸，其中，当所述闸打开以及当所述闸关闭时，所述电路都有效维持所述第二电极表面和第三电极表面处的电位彼此相等。
3.如权利要求1所述的闸，其中，所述第一电极元件、第二电极元件和/或第三电极元件是狭长的。
4.如权利要求3所述的闸，其中，每个所述第一电极元件、第二电极元件和/或第三电极表面的多个元件在各自平面内彼此连接，分别形成为栅形电极。
5.如权利要求1所述的闸，其中，所述第一电极元件之间的节距与所述第二电极元件之间的节距相等。
6.如权利要求1所述的闸，其中，所述第三电极元件之间的节距比所述第一电极元件之间的节距小3到10倍。
7.如权利要求1所述的闸，进一步包括：
-设置有大量开口(21)的第一板状载体；
-设置在所述板状载体第一侧上并形成第一电极元件(11)的导电层；
-设置在与所述板状载体第一侧相反的第二侧上并形成第二电极元件(12)的导电层；
-设置有大量开口(22)的第二板状载体，所述第二板状载体两侧设置有形成所述第三电极元件(13)的导电层；
-设置在第一板状载体和所述第二板状载体之间的垫片(23)。
8.离子迁移光谱仪，包括：
如前述权利要求任一项所述的闸，以及；
-平行于所述第二电极表面并离所述第二电极表面(12)一定距离设置的收集板(28)，所述收集板用于检测离子群的到达。
9.如权利要求8所述的离子迁移光谱仪，还包括设置在所述闸和所述收集板(28)之间的第二垫片(26)。
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