CN106783504B - 离子迁移谱仪 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种离子迁移谱仪。该离子迁移谱仪包括：电源电路，用于提供电源电压；电晕放电结构，其输入端连接到所述电源电路，用于通过电晕放电产生待测离子；离子迁移电路，连接到所述电源电路，用于控制离子迁移；迁移区结构，连接到所述离子迁移电路，用于在所述离子迁移电路的控制下实现对从所述迁移区结构中经过的待测离子的迁移谱的测量；多余电荷引出电极，布置在所述电晕放电结构与所述迁移区结构之间，使得所述电晕放电结构产生的待测离子能够从其中经过，从而到达所述迁移区结构；多余电荷引出电路，连接到所述电源电路、所述电晕放电结构的输入端、所述迁移区结构和所述多余电荷引出电极，其中，所述多余电荷引出电极通过所述多余电荷引出电路接地。

Description

离子迁移谱仪
技术领域
本公开涉及离子谱测量领域，具体地涉及一种离子迁移谱仪。
背景技术
离子迁移谱仪根据不同离子在均匀弱电场下漂移速度不同实现对离子的分辨。因为离子迁移谱仪分辨速度快，灵敏度高，不需要真空环境并且便于小型化，所以在诸如毒品和爆炸物检测的多个领域得到了广泛的应用。
典型的离子迁移谱仪通常由进样部分、电离部分、离子门、迁移区、收集区、读出电路、数据采集和处理部分、控制部分等部分构成。其中，电离部分主要功能是将样品分子转化成可供迁移分离的离子，其电离的效果对离子迁移谱仪的性能具有非常直接的影响。
为了实现更好的电离性能，一种利用电晕放电进行电离的离子迁移谱仪已经得到应用。电晕放电指的是在空间不均匀电场中由于局部的强电场引起气体分子电离的一种现象。电晕放电直接产生的离子一般称为反应物离子。当具有更高的质子或电子亲和势的样品分子通过电离区时，将通过俘获反应物离子的电荷而被电离。通常的电晕放电结构简单且成本低廉，并且能够产生更高的电荷浓度，因此，大大地改善了离子迁移谱仪的灵敏度和动态范围。
然而，电晕放电产生的高电荷浓度同样要求离子迁移谱仪对电荷的收集和处理更加合理，否则会严重影响设备的稳定性。如何实现稳定性更高的基于电晕放电的离子迁移谱仪是本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本公开提出了一种离子迁移谱仪。
根据本公开的一个方面，提出了一种离子迁移谱仪，包括：电源电路，用于提供电源电压；电晕放电结构，其输入端连接到所述电源电路，用于通过电晕放电产生待测离子；离子迁移电路，连接到所述电源电路，用于控制离子迁移；迁移区结构，连接到所述离子迁移电路，用于在所述离子迁移电路的控制下实现对从所述迁移区结构中经过的待测离子的迁移谱的测量；多余电荷引出电极，布置在所述电晕放电结构与所述迁移区结构之间，使得所述电晕放电结构产生的待测离子能够从其中经过，从而到达所述迁移区结构；多余电荷引出电路，连接到所述电源电路、所述电晕放电结构的输入端、所述迁移区结构和所述多余电荷引出电极，其中，所述多余电荷引出电极通过所述多余电荷引出电路接地。
在一个实施例中，所述多余电荷引出电路包括第一分压元件、第二分压元件和隔直电容，其中，所述第一分压元件的一端连接到所述电源电路以及所述电晕放电结构的输入端，另一端连接到第一节点，所述第二分压元件的一端连接到所述第一节点，另一端连接到所述迁移区结构，所述隔直电容的一端连接所述第一节点，另一端接地，以及所述多余电荷引出电路与所述多余电荷引出电极在所述第一节点处相连接。
在一个实施例中，所述电晕放电结构包括电晕针和放电筒，其中，所述电晕针的一端作为所述电晕放电结构的输入端，另一端通过放电产生待测离子，所述放电筒被布置为在所述电晕针的四周侧向地围绕所述电晕针的所述另一端。
在一个实施例中，所述多余电荷引出电路还与所述电晕放电结构的放电筒在第二节点处相连接，所述多余电荷引出电路包括第一分压元件、第二分压元件、第三分压元件、第一隔直电容和第二隔直电容，其中，所述第一分压元件的一端连接到所述电源电路以及所述电晕放电结构的输入端，另一端连接到所述第二节点，所述第二分压元件的一端连接到第一节点，另一端连接到所述迁移区结构，所述第三分压元件连接在所述第一节点和所述第二节点之间；所述第一隔直电容的一端连接所述第一节点，另一端接地，所述第二隔直电容的一端连接所述第二节点，另一端接地，以及所述多余电荷引出电路与所述多余电荷引出电极在所述第一节点处相连接。
在一个实施例中，所述迁移区结构包括从输入端到输出端依次布置的存储环、离子门、多个迁移场电极片、抑制栅和法拉第盘，其中，所述存储环的一端、第一个迁移场电极片的一端以及最后一个迁移场电极片的一端分别与所述离子迁移电路在不同的节点处连接，第一个迁移场电极片的另一端连接到串联的多个电阻，所述多个电阻的数量与所述多个迁移场电极片的数量相同，所述多个迁移场电极片的另一端一一对应地连接到所述多个电阻的第一端，所述多个电阻中的最后一个电阻与所述多余电荷引出电路连接。
在一个实施例中，所述离子迁移电路在与所述存储环的一端、第一个迁移场电极片的一端以及最后一个迁移场电极片的一端分别连接的节点处分别产生不同的电势。
在一个实施例中，所述电源电路包括电源、第一电阻和第三隔直电容，其中，所述电源的一端连接到所述离子迁移电路，另一端连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的一端连接到所述电源，另一端连接所述第三隔直电容的一端和所述电晕放电结构的输入端，所述第三隔直电容的一端连接所述第一电阻，另一端接地。
在一个实施例中，所述第一分压元件和第二分压元件是电阻。
在一个实施例中，所述第三分压元件是电阻或稳压二极管。
通过使用本公开所提出的基于电晕放电的离子迁移谱仪，能够消除对离子迁移谱产生不良影响的多余电荷。由此，所产生的离子迁移谱准确且稳定，从而解决了以上所述的现有技术中的问题。
附图说明
图1示出了一种基于电晕放电的离子迁移谱仪的原理图；
图2示出了图1所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪的结构图；
图3示出了根据本公开的实施例的基于电晕放电的离子迁移谱仪的结构图；
图4示出了图3所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪的详细结构的示意图；
图5示出了图3所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪的详细结构的示意图；
图6示出了通过图1所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪测得的离子迁移谱图；以及
图7示出了通过图3所示的根据本发明的实施例的基于电晕放电的离子迁移谱仪测得的离子迁移谱图。
具体实施方式
下面将详细描述本公开的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本公开。在以下描述中，为了提供对本公开的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本公开。在其他实例中，为了避免混淆本公开，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本公开至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
以下参考附图对本公开进行具体描述。
首先，图1示出了一种基于电晕放电的离子迁移谱仪的原理图。在图1中，电晕针201放电产生的带电粒子经聚焦极202聚焦后穿过电晕筒203进入到存储环204，之后在离子门205、206的电场的控制下在特定时间内注入到由电极片207构成的离子漂移区，经抑制栅208调节后由法拉第盘209接收，并随后经电荷灵敏积分放大电路转变为电信号进入到信号处理系统。
图2是图1中的电晕放电离子迁移谱仪构造示意图。在图2中，电晕放电结构产生的电荷在电场与进样气流共同作用下向存储环运动。此时，将有较多的离子撞击到电晕放电筒1041及存储环MG1。电晕放电筒1041与存储环MG1均直接与离子迁移电路连接，从而它们接收到的离子将进入离子迁移电路，并对离子迁移电路造成不良影响，从而影响离子迁移谱的稳定性。根据图1所示的离子迁移谱仪测得的离子迁移谱线如图6所示。
在图3中，示出了根据本公开的一个实施例的离子迁移谱仪300的结构图。
如图3所示，离子迁移谱仪300包括电源电路310、离子迁移电路320、迁移区结构330、电晕放电结构340、多余电荷引出电极350和多余电荷引出电路360。其中，电晕放电结构340通过电晕放电产生的离子，先后穿过中间具有开口的多余电荷引出电极350(比如，环形)和形成电荷漂移通路的迁移区结构330，从而实现对经过迁移区结构330的离子进行迁移谱测量。多余电荷引出电极350和多余电荷引出电路360的设置使得电晕放电产生的多余离子的电荷被吸收，从而不会对离子迁移电路320产生影响。
具体地，电源电路310用于提供电源电压。
离子迁移电路320连接到电源电路，用于控制离子迁移。
迁移区结构330连接到离子迁移电路320，用于在离子迁移电路320的控制下实现对从迁移区结构330中经过的待测离子的迁移谱的测量。电晕放电结构340的输入端连接到电源电路310，用于通过电晕放电产生待测离子。
多余电荷引出电极350布置在电晕放电结构340与迁移区结构330之间，使得电晕放电结构340产生的待测离子能够从其中经过(在电场的作用下穿过其上形成的开口(比如，环孔))，从而到达迁移区结构330。
多余电荷引出电路360连接到电源电路310、电晕放电结构340的输入端、迁移区结构330和多余电荷引出电极350。
此外，多余电荷引出电路360具有接地端，并且多余电荷引出电极350通过所连接的多余电荷引出电路360接地。
图4示出了图3所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪300的详细结构400的示意图。
如图4所示，电晕放电结构240包括电晕针340-1和放电筒340-2，其中，电晕针340-1的一端作为电晕放电结构340的输入端与电源电路310连接，另一端通过放电产生待测离子，放电筒340-2被布置为在电晕针340-1的四周侧向地围绕电晕针340-1的所述另一端。
在一个实施例中，迁移区结构330包括从输入端到输出端(即，图中的从上到下)依次布置的存储环MG1、离子门、n(正整数)个迁移场电极片FG1至HVE、抑制栅(未示出)和法拉第盘FAR。其中，存储环MG1的一端、第一个迁移场电极片FG1的一端以及最后一个迁移场电极片HVE的一端分别与离子迁移电路320在不同的节点处连接(如图4中，离子迁移电路320右侧示出的三个连接点)。第一个迁移场电极片FG1的另一端连接到串联的n个电阻R1-Rn。可见，电阻的数量与迁移场电极片的数量相同。n个迁移场电极片的另一端一一对应地连接到n个电阻的第一端。n个电阻中的最后一个电阻Rn与多余电荷引出电路360连接。
离子迁移电路320在与存储环MG1、第一个迁移场电极片FG1以及最后一个迁移场电极片HVE分别连接的节点处分别产生不同的电势。从而，根据如上所述的迁移区结构330的具体结构，其中将产生连续的电场将离子导向法拉第盘FAR。
如图4所示，多余电荷引出电路360包括第一分压元件E1、第二分压元件E2和隔直电容C。
第一分压元件E1的一端连接到电源电路310和电晕放电结构340的输入端，另一端连接到第一节点N。
第二分压元件E2的一端连接到第一节点N，另一端连接到迁移区结构330。
在一个实施例中，第一分压元件E1和第二分压元件E2是电阻。
通过为第一分压元件E1和第二分压元件E2设置特定的分压能力(比如，当它们为电阻时，设置特定的阻值)，能够使得与第一节点N相连的多余电荷引出电极350具有特定的电势，从而使得电晕放电结构340处产生的离子能够在电场作用下向下移动，穿过多余电荷引出电极350，进入迁移区结构340。
在一个实施例中，通过设置第一分压元件E1和第二分压元件E2的分压能力，使得多余电荷引出电极350与迁移区结构330中的存储环MG1之间的电势差在60至70伏之间。
隔直电容C的一端连接第一节点N，另一端接地GND。
从图中可见，多余电荷引出电路360与多余电荷引出电极350在第一节点N处相连接。多余电荷引出电极350经由第一节点N和隔直电容C接地GND。从而，撞击多余电荷引出电极350的电荷能够被吸收。
需要指出的是，图4中所示的具体结构只是对本公开的离子迁移谱仪的示例性说明，本公开的离子迁移谱仪并不受以上细节的限制。本领域技术人员能够理解的是，通过本公开中多余电荷引出电极350和多余电荷引出电路360的设置，使得现有离子迁移谱仪中多余电荷对谱图的影响能够消除或抑制。可以想见的是，本公开中提出的具有多余电荷引出电极350和多余电荷引出电路360的设置能够适用于任何受到多余电荷影响的电晕放电离子迁移谱仪。
此外，在图4中，还将离子迁移电路320和迁移区结构330示为接地。但应该理解的是，在其他实施例中，离子迁移电路320和迁移区结构330可以与其他特定电势连接，或不设置这一接地连接。
图5示出了图3所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪300的详细结构500的示意图。图5的详细结构500与图4的详细结构400相比，多余电荷引出电路360和电源电路310的结构有所不同。本领域技术人员能够理解是，将对多余电荷引出电路360和电源电路310的结构的改进都包括在图5所示的实施例中，只是为了便于描述。本公开的范围同样涵盖只是对多余电荷引出电路360或电源电路310的结构作出图5所示的改进的实施例。
图5所示的多余电荷引出电路360与电晕放电结构340的放电筒340-2在第二节点M处相连接。
多余电荷引出电路360包括第一分压元件E1、第二分压元件E2、第三分压元件E3、第一隔直电容C1和第二隔直电容C2。
其中，第一分压元件E1的一端连接到电源电路310以及电晕放电结构340的输入端，另一端连接到第二节点M。
第二分压元件E2的一端连接到第一节点N，另一端连接到迁移区结构330。
第三分压元件E3连接在第一节点N和第二节点M之间。在一个实施例中，第三分压元件E3是电阻或稳压二极管。
第一隔直电容C1的一端连接第一节点N，另一端接地GND。
第二隔直电容C2的一端连接第二节点M，另一端接地GND。
同样，多余电荷引出电路360与多余电荷引出电极350在第一节点N处相连接。
在图5所示的结构500中，电晕放电结构340的放电筒340-2经由第二隔直电容C2接地GND，从而，放电筒340-2处产生的多余电荷页能够被吸收，从而防止其上积累的电荷对整个设备的电势分布产生影响，进而更好地改善设备的性能。
通过为第一分压元件E1、第二分压元件E2和第三分压元件E3设置特定的分压能力(比如，当它们为电阻时，设置特定的阻值)，能够使得与第一节点N相连的多余电荷引出电极350以及与第二节点M相连的放电筒340-2都具有特定的电势，从而使得电晕放电结构340处产生的离子能够在电场作用下向下移动，穿过多余电荷引出电极350，进入迁移区结构340。
在一个实施例中，通过设置第一分压元件E1、第二分压元件E2和第三分压元件E3的分压能力，使得多余电荷引出电极350与迁移区结构330中的存储环MG1之间的电势差在60至70伏之间，放电筒340-2与多余电荷引出电极350之间的电势差也在60至70伏之间。此外，还可在电晕针340-1和放电筒340-2之间设置2000-3000伏的电势差。
在图5中，电源电路310包括电源、第一电阻R和第三隔直电容C3。其中，电源的一端连接到离子迁移电路320，另一端连接第一电阻R的一端。第一电阻R的一端连接到电源，另一端连接第三隔直电容C3的一端和电晕放电结构340的输入端。第三隔直电容C3的一端连接第一电阻R，另一端接地GND。第一电阻R和第三隔直电容C3的布置使得电源施加的电压经过滤波分压处理。
图6和图7分别示出了通过图1所示的基于电晕放电的离子迁移谱仪测得的离子迁移谱图和通过图3所示的根据本发明的实施例的基于电晕放电的离子迁移谱仪300测得的离子迁移谱图。从图中可见，通过离子迁移谱仪300所测得的离子迁移谱更加稳定。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本公开的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。
虽然已参照几个典型实施例描述了本公开，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本公开能够以多种形式具体实施而不脱离公开的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种离子迁移谱仪，包括：
电源电路，用于提供电源电压；
电晕放电结构，其输入端连接到所述电源电路，用于通过电晕放电产生待测离子；
离子迁移电路，连接到所述电源电路，用于控制离子迁移；
迁移区结构，连接到所述离子迁移电路，用于在所述离子迁移电路的控制下实现对从所述迁移区结构中经过的待测离子的迁移谱的测量；
多余电荷引出电极，布置在所述电晕放电结构与所述迁移区结构之间，用于吸收所述电晕放电结构产生的待测离子中的多余离子的多余电荷；
多余电荷引出电路，连接到所述电源电路、所述电晕放电结构的输入端、所述迁移区结构和所述多余电荷引出电极，用于将所述多余电荷引出电极吸收的多余电荷引出，
其中，所述多余电荷引出电极通过所述多余电荷引出电路接地。
2.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中，所述多余电荷引出电路包括第一分压元件、第二分压元件和隔直电容，其中，
所述第一分压元件的一端连接到所述电源电路以及所述电晕放电结构的输入端，另一端连接到第一节点，
所述第二分压元件的一端连接到所述第一节点，另一端连接到所述迁移区结构，
所述隔直电容的一端连接所述第一节点，另一端接地，以及
所述多余电荷引出电路与所述多余电荷引出电极在所述第一节点处相连接。
3.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中，所述电晕放电结构包括电晕针和放电筒，其中，
所述电晕针的一端作为所述电晕放电结构的输入端，另一端通过放电产生待测离子，
所述放电筒被布置为在所述电晕针的四周侧向地围绕所述电晕针的所述另一端。
4.根据权利要求3所述的离子迁移谱仪，其中，所述多余电荷引出电路还与所述电晕放电结构的放电筒在第二节点处相连接，所述多余电荷引出电路包括第一分压元件、第二分压元件、第三分压元件、第一隔直电容和第二隔直电容，其中，
所述第一分压元件的一端连接到所述电源电路以及所述电晕放电结构的输入端，另一端连接到所述第二节点，
所述第二分压元件的一端连接到第一节点，另一端连接到所述迁移区结构，
所述第三分压元件连接在所述第一节点和所述第二节点之间；
所述第一隔直电容的一端连接所述第一节点，另一端接地，
所述第二隔直电容的一端连接所述第二节点，另一端接地，以及
所述多余电荷引出电路与所述多余电荷引出电极在所述第一节点处相连接。
5.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中，所述迁移区结构包括从输入端到输出端依次布置的存储环、离子门、多个迁移场电极片、抑制栅和法拉第盘，
其中，所述存储环的一端、第一个迁移场电极片的一端以及最后一个迁移场电极片的一端分别与所述离子迁移电路在不同的节点处连接，
第一个迁移场电极片的另一端连接到串联的多个电阻，所述多个电阻的数量与所述多个迁移场电极片的数量相同，
所述多个迁移场电极片的另一端一一对应地连接到所述多个电阻的第一端，
所述多个电阻中的最后一个电阻与所述多余电荷引出电路连接。
6.根据权利要求5所述的离子迁移谱仪，其中，所述离子迁移电路在与所述存储环的一端、第一个迁移场电极片的一端以及最后一个迁移场电极片的一端分别连接的节点处分别产生不同的电势。
7.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中，所述电源电路包括电源、第一电阻和第三隔直电容，其中，
所述电源的一端连接到所述离子迁移电路，另一端连接所述第一电阻的一端，
所述第一电阻的一端连接到所述电源，另一端连接所述第三隔直电容的一端和所述电晕放电结构的输入端，
所述第三隔直电容的一端连接所述第一电阻，另一端接地。
8.根据权利要求2或4所述的离子迁移谱仪，其中，所述第一分压元件和第二分压元件是电阻。
9.根据权利要求4所述的离子迁移谱仪，其中，所述第三分压元件是电阻或稳压二极管。
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