CN112820620A - 一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，当离子门工作在开门状态时，离子门电压为迁移管轴向电场中的一极，离子在轴向电场的作用下顺利通过离子门；当离子门工作在关门状态时，离子门1、2两极会产生一个电压差，形成一个与轴向电场方向垂直的电场，使离子在通过离子门时发生偏移，无法顺利到达离子接收板，其中离子门1、2两极的电压是以离子门所在电极电压大小为中心正负偏移的，减小了离子门关门时与前后两极的电压差，从而降低了关门时，离子门局部电场不均匀所导致的离子信号强度减弱的影响，同时离子门关门时的电压差还可以很方便的调整，从而找到最佳的离子门工作电压，提高离子迁移谱仪器的灵敏度。

Description

一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法

技术领域

本发明属于离子迁移管离子门控制的技术领域，具体涉及一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法。

背景技术

离子迁移谱技术(ion mobility spectrometry,IMS)是在20世纪70年代发展起来的一种新兴的化学分析技术，它以离子迁移时间的差异来进行离子的分离定性，体积小，灵敏度高，可检测到纳克级(1ng＝10-9kg)甚至是皮克级(1pg＝10-12kg)的物质，广泛应用于痕量检测领域，包括国家军事领域的化学战剂监测，各级安全部门的爆炸物监测，海关和机场入口安检部门对毒品、麻醉剂等违禁物品的监测以及环境监测部门对有毒有害气体的监测。

离子迁移谱仪器中一项重要的部件为离子迁移管，离子迁移管的结构示意图如图1所示。离子迁移管通过电极与外部电场相连从而在其内部产生轴向电场，电场强度根据需要一般选择150～1000V/cm之间的某一定值，如300V/cm，在离子迁移管的中间安装有离子门，它将离子迁移管分为电离区和迁移区，在电离区，进入迁移管的气体分子被电离源离化为离子态，当离子门为开门状态时，离子在轴向电场的作用下可以顺利通过离子门到达离子接收板；当离子门为关门状态时，离子在经过离子门时会发生与轴向方向垂直的偏移，最终无法到达离子接收板，通过周期性的开关离子门，可以在离子接收板上形成一个标准的正态脉冲信号。由于不同的气体分子被离化后的带电量和质量均不一样，同等电场强度下，到达离子接收板所需要的时间也不同，从而形成不同的离子迁移图谱，通过判断离子迁移图谱来识别不同的气体物质。

Bradbury-Nielsen型离子门(BN)是目前离子迁移谱仪器中应用最为广泛的离子门结构，如图2所示，离子门的表面平行等距间隔排列着线状电极，从左至右依次给线状电极设置序号1,2,3…，其中序号为奇数的电极电气连接良好，电位相同，为离子门电极1；序号为偶数的电极电气连接良好，电位相同，为离子门电极2。在离子门处于开门状态时，离子门电极1和离子门电极2的电压相等，离子在迁移管轴向电场的作用下可以顺利通过离子门；在离子门处于关门状态时，离子门电极1和离子门电极2之间会存在一个压差，这样在相邻线状电极间会形成一个与轴向电场方向垂直的垂直电场，使离子在经过离子门时会发生偏移，最终无法到达离子接收板，形成关门的状态。

离子门的开门时间越长，到达离子接收板的离子量越多，信号的强度越大，迁移管的灵敏度也越高，但是经过计算发现在迁移管长度，温度，气压，电场强度等相关参数保持恒定时，离子迁移管的分辨力与离子门的开门时间近乎成反比的关系，开门时间越长，离子迁移管的分辨力越小。因此就需要选择合适的开门时间使离子迁移管的灵敏度和分辨力均达到合适的状态。

离子门上相邻电极间的压差越大，形成的垂直电场越强，离子门的关门能力也越强。传统模式工作的离子门，其中一个电极的电压一般固定为离子门所在迁移管电极位置上的电压值，通过调节离子门另一个电极的电压大小来实现离子门开门与关门的状态切换，在离子门关门时，另一个电极的电压同时也会与离子门附近的电极作用，从而影响离子门附近的电场强度，在离子门的两侧产生明显的离子清空区，其轴向深度远大于BN门线状电极的直径，与电极间距相当，这样在离子门从关门状态转变为开门状态时，电离区的离子团需要先穿过清空区才能经过离子门，最后进入迁移区，使得开门时间内进入迁移区的离子量变少，同时在离子门从开门状态转变为关门状态时，迁移区内的清空区也会损耗掉部分已经进入迁移区的离子量，使得最终到达离子接收板的离子量进一步变少，离子迁移谱信号强度降低，灵敏度降低。因此离子门的工作电压存在一个最佳值，关门时电压差太小会减弱离子门的关门能力，离子迁移谱信号基线偏高，关门时电压差太大会减弱离子迁移谱的灵敏度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，能够减小离子门两侧的清空区，同时通过自由调节离子门两电极的电压差，找到离子门工作的最佳状态，提高离子迁移谱仪器的灵敏度。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，所述离子迁移管自左至右依次为电离源、电离区、离子门、迁移区和离子接收板，离子门位于离子迁移管的电离区和迁移区之间；

离子门为BN门，由多个线状电极平行等距间隔排列构成，从左至右依次给线状电极设置序号1,2,3…，其中序号为奇数的电极电气连接良好，电位相同，为离子门电极1，序号为偶数的电极电气连接良好，电位相同，为离子门电极2；

离子门电极1和离子门电极2分别与离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2连接；

离子门进行周期性的工作，每个周期内分别有开门和关门两种状态；

离子门为开门状态时，离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2电气连接为同一点，电压大小均为离子门所在迁移管电极位置上的电压，在离子迁移管内形成了沿离子源指向离子接收板的轴向电场，离子在轴向电场的作用下顺利通过离子门；

离子门为关门状态时，控制离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2之间产生一个电压差，形成一个与轴向电场方向垂直的电场，使离子在通过离子门时发生偏移，其中离子门所在迁移管电极位置上的电压为离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2电压大小的平均值。

进一步地，离子门为开门状态的时间介于0.01～1ms之间。

进一步地，开门时间加关门时间构成离子门工作的一个完整周期。

进一步地，离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2之间电压差的大小通过调节离子门高压输出的范围进行控制，改变离子门电压差的输出。

进一步地，离子迁移管工作时，离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2的电压大小按照所述时间周期进行周期性的调节。

有益效果：

本发明可以在现有离子迁移管结构不变的基础上提高离子迁移谱仪器的灵敏度，并且找到离子门工作电压的理想值，同时控制电路简单，操作方便，可替换性强。

附图说明

图1为离子迁移管结构示意图。

图2为BNG型离子门结构。

图3为传统模式下离子门控制示意图。

图4为本发明的离子门控制模式示意图。

图5为离子门控制电路。

图6为离子门控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

使用BNG门的离子迁移管结构如图1所示，1为迁移管电极片，2为电离源，使用的是⁶³Ni放射源，3为离子门，4为栅格网，5为离子接收板。由离子迁移谱相关知识可知，当迁移管电极外接呈一定梯度递增或递减的电压时，在离子迁移管内形成轴向电场，待检测物质在电离区首先被⁶³Ni放射源发射的射线电离，形成带电离子，带电离子在轴向电场的作用下会向离子接收板运动。

离子门控制电路如图5所示，其中BN-O和BN-C为输入的控制信号，控制信号的时序图如图6所示。当离子门处于开门状态时，BN-O为低电平，BN-C为高电平，这样在半桥控制芯片NSi6602的作用下，M3和M4会导通，使得离子门上的电极Gate-1(离子门电极1)和Gate-2(离子门电极2)与Gate-ref连接，其中Gate-ref为离子门所在迁移管电极位置上的电压，在离子门附近就只有轴向电场作用，因此离子就会在轴向电场的作用下顺利通过离子门，到达离子接收板。

当离子门处于关门状态时，BN-O为高电平，BN-C为低电平，这样在半桥控制芯片NSi6602的作用下，M1和M2会导通，使得离子门上的电极Gate-1与离子门高压输出端连接，而Gate-2则与GND-Gate连接。HV-Gate为离子门高压输出端可达到的最大电压，由于R1为滑动变阻器，使得高压输出端的电压可以在设定的范围内自由调节。在Gate-1和Gate-2之间就产生了一个电压差，使得离子门相邻的线状电极间形成了一个与轴向电场方向垂直的垂直电场，离子在经过离子门时，会在垂直电场的作用下发生偏移，最终无法到达离子接收板。

由图3可以看出Gate-ref在HV-Gate和GND-Gate之间，约为它们两的算术平均值，而传统的离子门控制模式中，Gate-2始终与Gate-ref连接，在离子门处于关门状态时，如果离子门Gate-1和Gate-2的差值保持恒定，如图4所示，本发明控制模式下的Gate-1与Gate-ref的差值仅为传统控制模式下Gate-1与Gate-ref差值的一半，大大降低关门状态下，离子门垂直电场对附近轴向电场耦合的影响，从而减小离子门附近的真空区，使得到达离子接收板的离子量变多，增大离子迁移谱仪器的灵敏度。由于Gate-1的工作电压可调，可以通过调节电压，寻找离子信号强度最强的电压值，得到离子门的理想工作电压，且过程简单，操作方便，提高离子迁移谱仪器的性能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，所述离子迁移管自左至右依次为电离源、电离区、离子门、迁移区和离子接收板，离子门位于离子迁移管的电离区和迁移区之间；

离子门为BN门，由多个线状电极平行等距间隔排列构成，从左至右依次给线状电极设置序号1,2,3…，其中序号为奇数的电极电气连接良好，电位相同，为离子门电极1，序号为偶数的电极电气连接良好，电位相同，为离子门电极2；

离子门电极1和离子门电极2分别与离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2连接；

离子门进行周期性的工作，每个周期内分别有开门和关门两种状态；

其特征在于，离子门为开门状态时，离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2电气连接为同一点，电压大小均为离子门所在迁移管电极位置上的电压；

离子门为关门状态时，控制离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2之间存在电压差，形成一个与轴向电场方向垂直的电场，使离子在通过离子门时发生偏移，其中离子门所在迁移管电极位置上的电压为离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2电压大小的平均值。

2.如权利要求1所述的一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，，其特征在于，开门时间加关门时间构成离子门工作的一个完整周期。

3.如权利要求1所述的一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，，其特征在于，离子门为开门状态的时间介于0.01～1ms之间。

4.如权利要求1所述的一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，，其特征在于，离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2之间电压差的大小通过调节离子门高压输出的范围进行控制，改变离子门电压差的输出。

5.如权利要求2所述的一种用于离子迁移管的对称式离子门控制方法，，其特征在于，离子迁移管工作时，离子门工作电压输出1和离子门工作电压输出2的电压大小按照所述时间周期进行周期性的调节。

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