CN107026067A - 一种使用快速脉冲电子源的无离子快门的离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分析仪器与检测领域，一种使用快速脉冲电子源的无离子快门的离子迁移谱仪，包括由灯丝、抽取栅格、加速电极、氮化硅膜、玻璃管、电极、加速电压源组成的具有脉冲工作模式的电子源，离子化区域和漂移区域组成的漂移管，所述漂移管内具有环形电极，漂移管的起始端直接与电子源的加速电极连接并密封，加速电极中心孔与漂移管连通，使得离子化区域紧贴氮化硅膜且不受任何限制，电子源产生周期性的电子束流，进行待测气体离子化，每个脉冲周期中的离子化后的待测气体形成一个离子包，产生的不同种类的离子能够直接进入漂移区域被分离，先后到达法拉第探测器被检测；能够通过调节加速电压源的输出电压来在仪器灵敏度和分辨率之间做选择。

Description

一种使用快速脉冲电子源的无离子快门的离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及分析仪器与检测领域，尤其是一种构造简单有效的一种使用快速脉冲电子源的无离子快门的离子迁移谱仪。

背景技术

离子迁移谱仪是一种快速的灵敏的微量气体分析仪器，其测量的原理是基于待测分析物的初始离子化过程。离子迁移谱的工作原理是：样品由载气带入电离反应区后，载气分子和样品分子在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。在电场的驱使下，这些离子通过周期性开启的离子快门进入漂移区。在与逆流的中性漂移气体分子不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，先后到达收集极被检测。

大多数离子迁移谱仪使用放射性的电子源如⁶³Ni或³H等，使用这些放射性材料的缺点是受到法律限制而难以得到，而且电子发射的强度是预先确定的，在使用过程中无法控制或使其失效，由于放射性电子源的明显缺点，其替代物包括：紫外光致电离灯、电晕放电、X射线光源、非放射性电子源。但是，紫外光致电离和电晕放电产生的谱与放射性电子源的谱不一样，所以这两种方法不适用。X射线光源产生与射性电子源相似的谱但是缺点是有非常高的穿透深度，这样就需要改动装置来防止漂移区域中漂移气体的离子化，因此使用非放射性电子源具有明显的优势。

现有的离子迁移谱仪是使用复杂的离子快门机构来生成待测气体分子在离子化后的小离子包，待测气体离子化后，是通过周期性开启的一个离子快门进入漂移区的，构造明显复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的是使用非放射性的电子源来对待测气体离子化并省略现有技术中的离子快门，实现的方法是采用具有脉冲工作模式的电子源来发射电子束流并周期性的离子化待测气体，总能够通过选择合适的脉冲条件，使得电子源产生周期性的电子束流，离子化待测气体，每个脉冲周期中的离子化后的待测气体形成一个离子包，并能够直接进入漂移区域被分离，先后到达法拉第探测器被检测。

本发明没有受限制的离子化区域，是使用一个脉冲非放射性电子源来实现初始离子化的无快门的离子迁移谱技术，使用发射电流可控的电子源的优点是：其可以在快速脉冲模式下工作，并有高电子强度，通过优化几何构型和开发快速控制电路，可以得到非常短的高强度电子发射脉冲来进行离子化，脉冲宽度可调至几纳秒；另外，本发明省略了附加的反应腔，离子包可以在漂移管的开始处直接产生，因此能够代替现有的复杂的离子快门机构。本发明与使用非放射性电子源和附加的快门的离子迁移谱仪相比，简化了结构和电路，另外，一个突出的优点是通过改变离子化区域的电场，可以使得本装置在不同需要的状态下工作，一种是有更好的探测极限但能量分辨率稍低，另一种是更高的能量分辨率但探测极限稍差。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种使用快速脉冲电子源的无离子快门的离子迁移谱仪主要包括灯丝、抽取栅格、加速电极、排气口、一组环形电极、载气进口、法拉第探测器、待测气体进口、氮化硅膜、玻璃管、电极、加速电压源、离子化电压源、漂移电压源、漂移管、特定环形电极，所述漂移管包括离子化区域和漂移区域，所述离子化区域位于所述待测气体进口至所述特定环形电极之间，所述漂移区域位于所述特定环形电极至所述法拉第探测器之间，所述灯丝、抽取栅格、加速电极、氮化硅膜、玻璃管、电极、加速电压源组成非放射性的具有脉冲工作模式的电子源，电子发射电流可以在几十皮安到几百纳安之间调节，所述漂移管末端与所述法拉第探测器连接并密封，所述漂移管连接有所述待测气体进口、排气口、载气进口，所述漂移管内包含有均布的所述一组环形电极，所述一组环形电极能够对所述漂移区域进行均匀分压，形成均匀的漂移电场，所述特定环形电极为所述一组环形电极中的一个、且距离所述漂移管起始端四毫米，所述离子化电压源一端连接所述加速电极、另一端连接所述特定环形电极，所述漂移电压源一端连接所述特定环形电极、另一端连接所述法拉第探测器，通过分别调节所述离子化电压源和所述漂移电压源的输出电压，能够分别调节所述离子化区域和所述漂移区域的电场。所述漂移管的起始端直接与具有脉冲工作模式的电子源的所述加速电极连接并密封，所述加速电极中心的孔与所述漂移管连通，使得所述离子化区域紧贴所述氮化硅膜且不受任何限制，电子源产生周期性的电子束流，在所述离子化区域进行待测气体离子化过程，每个脉冲周期中的离子化后的待测气体形成一个离子包，产生的不同种类的离子能够直接进入所述漂移区域被分离，先后到达所述法拉第探测器被检测；能够通过调节所述加速电压源的输出电压来在仪器灵敏度和分辨率之间做选择。

本发明原理是，由离子迁移谱的原理可知，离子浓度越高则离子迁移谱的灵敏度越高，离子包空间宽度越大则离子迁移谱的分辨率越小。在离子化区域的恒定电场下，待测气体被离子化，这样，离子被直接加速向探测器运动。离子迁移谱的分辨能力主要有两个因素影响初始离子包的宽度，第一，离子化时间(成正比)，第二，初始离子包的最小空间宽度(成反比)，其由发射电子在离子化区域的穿透深度决定，而电子的穿透深度直接依赖于发射电子的动能，即最终取决于电子源中的加速电压，因此，可以通过调节加速电压源的输出电压来在仪器灵敏度和分辨率之间做选择。

本装置使用非放射性的灯丝加热的方法来产生发射电子，在灯丝之前有一个抽取栅格来控制灯丝的电场从而控制发射电子束的聚焦和散焦，通过给抽取栅格加一定的脉冲电压，使得发射电子能周期性地通过氮化硅膜发射到所述漂移管中，即可以在离子化区域周期性的离子化待测气体，形成一个个离子包，从而省略了现有技术中的离子快门。

本发明的有益效果是：

本发明没有受限制的离子化区域，是使用一个脉冲非放射性电子源来实现初始离子化的无快门的离子迁移谱技术，使用发射电流可控的电子源的优点是：其可以在快速脉冲模式下工作，并有高电子强度，通过优化几何构型和开发快速控制电路，可以得到非常短的高强度电子发射脉冲来进行离子化，脉冲宽度可调至几纳秒；另外，本发明省略了附加的反应腔，离子包可以在漂移管的开始处直接产生，因此能够代替现有的复杂的离子快门机构。本发明与使用非放射性电子源和附加的快门的离子迁移谱仪相比，简化了结构和电路，另外，一个突出的优点是通过改变离子化区域的电场，可以使得本装置在不同需要的状态下工作，一种是有更好的探测极限但能量分辨率稍低，另一种是更高的能量分辨率但探测极限稍差。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明示意图。

图中，1.灯丝，2.抽取栅格，3.加速电极，4.排气口，5.一组环形电极，6.载气进口，7.法拉第探测器，8.待测气体进口，9.氮化硅膜，10.玻璃管，11.电极，12.加速电压源，13.离子化电压源，14.漂移电压源，15.漂移管，16.特定环形电极，17.离子化区域，18.漂移区域。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，主要包括灯丝1、抽取栅格2、加速电极3、排气口4、一组环形电极5、载气进口6、法拉第探测器7、待测气体进口8、氮化硅膜9、玻璃管10、电极11、加速电压源12、离子化电压源13、漂移电压源14、漂移管15、特定环形电极16，所述漂移管15包括离子化区域17和漂移区域18，所述离子化区域17位于所述待测气体进口8至所述特定环形电极16之间，所述漂移区域18位于所述特定环形电极16至所述法拉第探测器7之间，所述灯丝1、抽取栅格2、加速电极3、氮化硅膜9、玻璃管10、电极11、加速电压源12组成非放射性的具有脉冲工作模式的电子源，电子发射电流可以在几十皮安到几百纳安之间调节，所述漂移管15末端与所述法拉第探测器7连接并密封，所述漂移管15连接有所述待测气体进口8、排气口4、载气进口6，所述漂移管15内包含有均布的所述一组环形电极5，所述一组环形电极5能够对所述漂移区域进行均匀分压，形成均匀的漂移电场，所述特定环形电极16为所述一组环形电极5中的一个、且距离所述漂移管15起始端四毫米，所述离子化电压源13一端连接所述加速电极3、另一端连接所述特定环形电极16，所述漂移电压源14一端连接所述特定环形电极16、另一端连接所述法拉第探测器7，通过分别调节所述离子化电压源13和所述漂移电压源14的输出电压，能够分别调节所述离子化区域17和所述漂移区域18的电场。

所述漂移管15的起始端直接与具有脉冲工作模式的电子源的所述加速电极3连接并密封，所述加速电极3中心的孔与所述漂移管15连通，使得所述离子化区域17紧贴所述氮化硅膜9且不受任何限制，电子源产生周期性的电子束流，在所述离子化区域17进行待测气体离子化过程，每个脉冲周期中的离子化后的待测气体形成一个离子包，产生的不同种类的离子能够直接进入所述漂移区域18被分离，先后到达所述法拉第探测器7被检测；能够通过调节所述加速电压源12的输出电压来在仪器灵敏度和分辨率之间做选择。

本发明利用具有脉冲工作模式的所述电子源，能够通过选择合适的脉冲条件使得电子源产生并发射周期性的电子束流，同时离子化待测气体，每个脉冲周期中的离子化后的待测气体形成一个离子包，能够直接进入漂移区域，而不需要在现有技术中的漂移区域前面设立离子快门且频繁周期性地开启。

Claims (1)

1.一种使用快速脉冲电子源的无离子快门的离子迁移谱仪，主要包括灯丝(1)、抽取栅格(2)、加速电极(3)、排气口(4)、一组环形电极(5)、载气进口(6)、法拉第探测器(7)、待测气体进口(8)、氮化硅膜(9)、玻璃管(10)、电极(11)、加速电压源(12)、离子化电压源(13)、漂移电压源(14)、漂移管(15)、特定环形电极(16)，所述漂移管(15)包括离子化区域(17)和漂移区域(18)，所述离子化区域(17)位于所述待测气体进口(8)至所述特定环形电极(16)之间，所述漂移区域(18)位于所述特定环形电极(16)至所述法拉第探测器(7)之间，所述灯丝(1)、抽取栅格(2)、加速电极(3)、氮化硅膜(9)、玻璃管(10)、电极(11)、加速电压源(12)组成非放射性的具有脉冲工作模式的电子源，电子发射电流可以在几十皮安到几百纳安之间调节，所述漂移管(15)末端与所述法拉第探测器(7)连接并密封，所述漂移管(15)连接有所述待测气体进口(8)、排气口(4)、载气进口(6)，所述漂移管(15)内包含有均布的所述一组环形电极(5)，所述一组环形电极(5)能够对所述漂移区域进行均匀分压，形成均匀的漂移电场，所述特定环形电极(16)为所述一组环形电极(5)中的一个、且距离所述漂移管(15)起始端四毫米，所述离子化电压源(13)一端连接所述加速电极(3)、另一端连接所述特定环形电极(16)，所述漂移电压源(14)一端连接所述特定环形电极(16)、另一端连接所述法拉第探测器(7)，通过分别调节所述离子化电压源(13)和所述漂移电压源(14)的输出电压，能够分别调节所述离子化区域(17)和所述漂移区域(18)的电场，

其特征是：所述漂移管(15)的起始端直接与具有脉冲工作模式的电子源的所述加速电极(3)连接并密封，所述加速电极(3)中心的孔与所述漂移管(15)连通，使得所述离子化区域(17)紧贴所述氮化硅膜(9)且不受任何限制，电子源产生周期性的电子束流，在所述离子化区域(17)进行待测气体离子化过程，每个脉冲周期中的离子化后的待测气体形成一个离子包，产生的不同种类的离子能够直接进入所述漂移区域(18)被分离，先后到达所述法拉第探测器(7)被检测；能够通过调节所述加速电压源(12)的输出电压来在仪器灵敏度和分辨率之间做选择。