ES2645464T3 - Espectrómetro de movilidad iónica miniaturizado - Google Patents

Abstract

Un espectrómetro de movilidad iónica (IMS) que comprende una celda de deriva que tiene una serie de anillos metálicos (302) conectados a tensiones de anillo respectivas para producir un gradiente de campo a lo largo de la celda de deriva, en donde uno de los anillos metálicos es un anillo de control iónico dispuesto para disponer de una tensión aplicada al mismo para producir una inversión de campo en el tubo de deriva (10) para formar con ello un depósito de iones para almacenar iones; caracterizado porque la celda de deriva emplea una construcción de tubo de deriva (10) hermético usando anillos aislantes (301) de cerámica, unidos a los anillos metálicos (302) por medio de un proceso de unión de metal activo, estando los anillos metálicos (302) formados a partir de una aleación ferrosa de níquel y cobalto, proporcionando con ello una construcción de celda auto-cerrada, comprendiendo además el IMS un circuito electrónico de control de inyección de iones que incluye medios para proporcionar un pulso de temporización de disparo de baja tensión efectivo para disparar un opto-aislador (Q1); en donde el circuito electrónico de control de inyección de iones comprende un circuito puente resistivo acoplado eléctricamente a un transistor (Q2); en donde el pulso de temporización de disparo en dicho opto-aislador (Q1) provoca que la tensión en la base del transistor (Q2) varíe con dicho pulso; con lo que dicho transistor (Q2) proporciona un pulso de tensión de onda cuadrada al anillo de control iónico efectivo para producir una caída de tensión resultante que provoca que los iones del depósito de iones sean inyectados en la región de deriva del IMS a lo largo del tubo (10) de deriva iónica.

Description

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DESCRIPCION

Espectrometro de movilidad ionica miniaturizado

Algunos aspectos de la presente invencion han sido realizados con ayuda del Gobierno bajo contratos numeros NAS2-03137 y NNA04CA08C otorgados por NASA. El Gobierno tiene determinados derechos sobre esos aspectos de la invencion.

Campo de la invencion

La invencion se refiere a espectrometria de movilidad ionica; en particular, a espectrometros de movilidad ionica que tienen sensibilidad y rendimiento incrementados para la deteccion de trazas quimicas; y, mas en particular, a un Espectrometro de Movilidad Ionica (IMS) de alta sensibilidad y miniaturizado que incorpora una pluralidad de innovaciones mecanicas y electricas, que dan como resultado incrementos de la operatividad sinergistica.

Antecedentes de la invencion

El Espectrometro de Movilidad Ionica fue inventado por el Dr. Martin J. Cohen y otros, a finales de los anos 1960 en Franking GNO Corporation en West Palm Beach. La genesis de esta idea correspondio al interes del Dr. Cohen en la fisica electronica y de radiacion gaseosa. La patente original para el IMS, num. 3.699.333, fue depositada en Octubre de 1968, y concedida el 17 de Octubre de 1972. La patente divulga el concepto de “Cromatografia de Plasma”, un nombre antiguo para el IMS, y describe el concepto de instrumento y muestra un espectro. Esta patente fue seguida por un numero de otras patentes que describen refinamientos y ampliaciones del concepto de IMS original y del diseno del instrumento, y discuten una diversidad de aplicaciones y metodologias analiticas. Estas patentes, cedidas todas ellas a Franklin GNO, son: 3.593.018, 3.621.239, 3.621.240, 3.624.389, 3.626.178, 3.626.179, 3.626.180, 3,626.181, 3.626.182, 3.629.574, 3.668.382, 3.668.383, 3.668.385, 3.697.748 y 3.697.749, y la Patente num. 3.845.301 concedida el 29 de Octubre de 1974, que describe el diseno y el funcionamiento de un IMS muy similar a los usados en la actualidad, con la excepcion del metodo especifico de deteccion de los picos ionicos.

El IMS tiene utilidades militares y anti-terroristas para la deteccion de agentes de guerra quimica (CW) y explosivos, para lo que el dispositivo dado a conocer en la presente memoria es el unico capacitado. Los gobiernos de US y de UK han adquirido instrumentos para su uso en el area de la deteccion de agentes de CW, en particular.

Bajo el contrato de investigacion apoyado por el gobierno, principalmente para la FAA para deteccion de explosivos y para NASA para una metodologia unica que use el IMS para analisis de atmosferas planetarias, se desarrollo la tecnologia basica actualmente utilizada en aeropuertos para la deteccion de explosivos ocultos. El trabajo de NASA produjo instrumentacion que fue capaz de proporcionar analisis de trazas de componentes de las atmosferas de Marte, Titan, y cometas. Esta metodologia fue comercializada para el analisis de gases de ultra alta pureza para la industria de los semiconductores.

Se otorgaron patentes para una aplicacion de deteccion de explosivos y para analisis de gas puro: la num. 5.162.652 concedida el 10 de Noviembre de 1992, y la num. 5.457.316 concedida el 10 de Octubre de 1995. Un numero de patentes de analisis de gas puro, tanto Us como internacionales, han sido otorgadas, como por ejemplo la num. 6.740.873 concedida el 25 de Mayo de 2004 y la num. 6.895.339 concedida el 17 de Mayo de 2005.

Los presentes inventores han fijado como objetivo aplicaciones comerciales y gubernamentales que requieran un Espectrometro de Movilidad Ionica en miniatura, robusto y confiable. El objetivo inicial fue concentrarse en el mercado de la deteccion de explosivos que proporciona la mayor oportunidad para el IMS miniaturizado unico divulgado en el presente documento. Los actuales inventores desarrollaron un detector portatil para la deteccion de trazas de explosivo. Sin embargo, el enfoque de la NASA SBIR fue el de continuar con la aplicacion del IMS para analisis de atmosferas planetarias en las que era importante el diseno miniaturizado robusto sellado hermeticamente para reducir el peso y el uso de consumibles. Aparte de este trabajo, se ha desarrollado otro prototipo importante de aplicacion comercial para analisis de gas puro.

Descripcion de la tecnica anterior

La Patente de los Estados Unidos num. 3.593.018, concedida a Cohen el 13 de Julio de 1971, esta dirigida a un aparato y un metodo para clasificar y detectar iones en una celda de deriva, siendo controlados los campos electricos aplicados a la celda en momentos apropiados para minimizar la dispersion de iones agrupados producidos por una fuente pulsante. Los iones de producto agrupados producidos por reacciones de ion-molecula, son analizados conforme a su velocidad en un campo de deriva.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.621.239, concedida a Cohen el 16 de Noviembre de 1971, trata de metodos para clasificar y detectar trazas de gases que se someten a reacciones de ion-molecula. Se seleccionan especies particulares de iones reactivos eligiendo un gas reactivo y/o mediante filtrado de ion reactivo para producir

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iones de producto predecibles mediante reaccion con moleculas de trazas de gas de una muestra. La muestra puede hacerse reaccionar con diferentes especies de iones reactivos y los resultados pueden ser comparados para confirmar la presencia de especies particulares de iones de producto. Los reactivos que producen especies diferentes de iones reactivos pueden tener potenciales de ionizacion por encima y por debajo del potencial de ionizacion de las moleculas de las trazas de gas esperadas.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.624.389 concedida a Cohen et al. el 30 de Noviembre de 1971, esta dirigida a un aparato y a metodos para clasificar y detectar trazas de gases que se someten a reacciones de ion- molecula. Los iones positivos o negativos de las trazas de gas se forman mediante reacciones de ion-molecula entre las moleculas de las trazas de gas y los iones primarios procedentes de otro gas. Los iones se clasifican de acuerdo con su velocidad en una corriente de gas mientras se someten a un campo electrico de deriva.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.626.180 concedida a Carroll et al. el 7 de Diciembre de 1971, esta dirigida a un aparato y a metodos para clasificar y detectar trazas de gases que se someten a reacciones de ion-molecula, siendo las trazas de iones formadas en un medio gaseoso reactivo y siendo analizadas en un medio gaseoso no reactivo. Los iones se clasifican de acuerdo con su velocidad en un campo electrico de deriva.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.626.182 concedida a Cohen el 7 de Diciembre de 1971, y esta dirigida a un aparato y un metodo para clasificar y detectar iones en una celda de deriva, estando los campos electricos aplicados a diferentes regiones de la celda controlados en momentos apropiados para asegurar la rapida extraccion de los iones desde la region de reaccion hasta una region de analisis, el agrupamiento de los iones en la region de analisis, y a continuacion la separacion de los iones agrupados de acuerdo con la velocidad de deriva ionica, y la deteccion de las especies de iones separados.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.629.574 concedida a Carroll el 21 de Diciembre de 1971, trata de un proceso en el que los electrones se separan de los iones sometiendo estas particulas cargadas a un campo de deriva para provocar que se muevan desde una primera region hacia una segunda region y mediante interposicion de un filtro de electrones en el campo de deriva entre dichas regiones, comprendiendo el filtro un par de miembros de rejilla a los que se aplican tensiones alternas de alta frecuencia. Este principio se aplica a un detector de captura de electrones y a un dispositivo que separa y detecta iones de acuerdo con su movilidad.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.697.748 concedida a Cohen el 10 de Octubre de 1972, esta dirigida a un proceso en el que se ha mejorado el tiempo de respuesta del aparato de celda de deriva para medicion de trazas de gases, calentando las paredes de la celda de deriva y/o la entrada de muestra para reducir la acumulacion de sustancias de muestra. Tambien se describen filtros calientes y estructuras de electrodos con trayectorias tortuosas de los gases.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.697.749 concedida a Wernlund el 10 de Octubre de 1972, esta dirigida a la deteccion de columnas fuente pequenas, tal como mediante un instrumento aereo, en donde los iones formados a partir de las moleculas de una muestra gaseosa y recogidos por el instrumento aereo se segregan en un campo de deriva, y las senales producidas en respuesta a la deteccion de los iones segregados se separan en componentes de senal de columna de corta duracion y componentes de fondo de larga duracion. Los componentes de corta duracion se indican con resolucion incrementada.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.699.333 concedida a Cohen et al. el 17 de Octubre de 1972, esta dirigida a un aparato y un metodo para clasificar y detectar trazas de gases que se someten a reacciones de ion-molecula. Los iones positivos o negativos de las trazas de gas se forman mediante reacciones de ion-molecula entre las moleculas de las trazas de gas e iones primarios procedentes de otra fuente. Los iones se clasifican mediante ionizacion selectiva de acuerdo con su velocidad en un campo electrico de deriva.

La Patente de los Estados Unidos num. 3.845.301 concedida a Wernlund el 29 de Octubre de 1974, esta dirigida a un proceso en el que se reduce el tiempo de respuesta de cromatografia de plasma mejorando el flujo de gas. Se proporciona una region de reaccion de ion-molecula en tandem con una region de deriva de mayor diametro, y se proporciona una salida de gas en la union de las regiones. El gas de muestra que fluye a traves de la region de reaccion de ion-molecula en la region de deriva se redirecciona mediante un contraflujo de gas de deriva a traves de la region de deriva, provocando que ambos gases salgan a traves de la salida y reduciendo la intrusion del gas de muestra en la region de deriva. Se emplea flujo de gas difuso en ambas regiones, habiendose previsto estructuras especiales para evitar la formacion de un chorro de gas.

La Patente de los Estados Unidos num. 4.855.595 concedida a Blanchard el 8 de Agosto de 1989, divulga un espectrometro de movilidad ionica para detectar iones y para facilitar reacciones quimicas controladas, que incorpora una entrada para un portador y un gas de muestra, una region de reaccion que tiene una fuente de ionizacion y al menos dos electrodos para generar un campo electrico, y una region de deriva que tiene al menos dos electrodos para generar un campo electrico entre los mismos, en donde cada electrodo esta conecto a una fuente de alimentacion para disponer un determinado potencial sobre el electrodo, y en donde cada fuente de alimentacion esta controlada por un controlador de campo electrico para proporcionar una secuencia de potenciales

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sobre cada electrodo en la region de reaccion y en la region de deriva para controlar el movimiento y la posicion de iones en la region de deriva. La invencion reivindica superar el problema de la sensibilidad de deteccion, la selectividad de deteccion y la resolucion entre iones de movilidad similar; sin embargo, no se ensena ni se describe la habilitacion de un sistema sin rejilla.

En un documento publicado con posterioridad titulado “Espectrometro de Movilidad de Inyeccion de Iones Usando Barreras de Gradiente de Campo”, es decir, Pozos de Iones (Blanchard et al., IJIMS 5(2002)3, Pp. 15-18), se divulga un sistema sin rejilla. Blanchard necesita usar un sistema de doble zona para crear un “Pozo de disparo” y un “Pozo de almacenaje”, los cuales deben manipular las tensiones en dos anillos con el fin de proporcionar un deposito de iones.

Estas divulgaciones ilustran ademas la incapacidad de expertos, tal como es Blanchard y sus colegas, para reducir constructivamente o realmente la puesta en practica de un dispositivo de IMS miniaturizado que tenga una sensibilidad y un rendimiento altamente incrementados para la deteccion de trazas quimicas, en particular los productos quimicos de peso molecular relativamente alto y de baja presion de vapor.

La Patente de los Estados Unidos num. 5.162.652 concedida a Cohen et al. el 10 de Noviembre de 1992, esta dirigida a un aparato y un metodo para la deteccion y la identificacion de la presencia de moleculas seleccionadas, tipicamente toxicas o de contrabando ubicadas en el interior de equipajes hermeticos y similares, y comprende someter el equipaje seleccionado a un proceso en el que una porcion de la atmosfera encerrada en el interior del equipaje se extrae y se combina con la atmosfera circundante en una camara cerrada. La muestra combinada, extraida, se hace pasar a un colector, tipicamente un adsorbedor de moleculas, el cual concentra las moleculas elegidas mediante recopilacion sobre una superficie de recoleccion. Tras la finalizacion de un periodo de recoleccion, las moleculas adsorbidas se liberan desde la superficie y se hacen pasar a un identificador, tal como un espectrometro de movilidad ionica. Con el uso de elementos de recogida y valvuleria apropiados, se puede realizar un analisis, de forma rapida y precisa para un gran numero de articulos de equipaje o similares sometidos a examen.

La Patente de los Estados Unidos num. 5.200.614 concedida a Jenkins el 6 de Abril de 1993, describe un espectrometro de movilidad ionica que emplea un proceso de captura de electrones. Una corriente del gas de muestra se irradia para producir iones positivos y electrones en una camara de ionizacion. Se emplea un electrodo de rejilla abierta en la camara de ionizacion para mantener un espacio libre de campos que pretende permitir la formacion de una poblacion de iones en la camara de ionizacion. Sin embargo, se genera periodicamente un campo electrico a traves de la camara de ionizacion durante periodos de menos de un milisegundo para provocar que la mayor parte de los iones de una polaridad en la camara de ionizacion sean barridos hacia fuera y hacia una camara de deriva. Los iones de polaridad opuesta se descargan sobre las paredes de la camara de ionizacion. Los iones que entran en la camara de deriva se desplazan a velocidades dependientes de su carga y masa respectivas. Se proporciona un electrodo de colector para recoger secuencialmente iones de masa diferente, y la corriente de iones recogidos se transmite a un medio de procesamiento de senal para medir la intensidad y los tiempos de llegada para los iones recogidos. Se puede mantener un potencial entre la camara de deriva y la camara de ionizacion para impedir que los iones se desplacen hacia abajo en la camara de deriva. Sin embargo, este potencial entre la camara de deriva y la camara de ionizacion puede ser conmutado periodicamente, de manera sincrona con la generacion del campo a traves de la camara de ionizacion, para permitir que los iones pasen a la camara de deriva durante la conmutacion.

La Patente de los Estados Unidos num. 5.457.316 concedida a Cohen et al. el 10 de Octubre de 1995, se refiere a un aparato sensor de espectrometro de movilidad ionica que esta encerrado en un alojamiento separado hermeticamente sellado, que utiliza un gas de deriva para la determinacion de trazas contaminantes en un gas portador, que incluye un contenedor para un gas de muestra que contiene un analito cuya concentracion debe ser determinada, medios para purificar el gas de muestra para producir el gas portador a partir del mismo, estando los medios de purificacion conectados hermeticamente desde el contenedor a traves de un conducto metalico, una fuente para el gas de deriva purificado que puede ser el mismo o diferente del gas portador, un sensor de espectrometro de movilidad ionica que tiene una entrada del gas portador y una entrada de gas de deriva y una salida de gas, estando el sensor de espectrometro de movilidad ionica conectado hermeticamente por medio de un conducto metalico desde los medios de purificacion y desde la fuente del gas de deriva, una trampa de retrodifusion que esta conectada hermeticamente desde la salida de gas, y un lector de senal que esta conectado electricamente, y hermeticamente, desde el sensor de espectrometro de movilidad ionica para detectar electricamente y mostrar senales obtenidas en el sensor.

La Patente de los Estados Unidos num. 6.606.899 concedida a Ketkar et al. el 19 de Agosto de 2003, describe un dispositivo para medir una concentracion total de impurezas en un gas de muestra, que incluye un alojamiento que tiene una entrada para permitir que el gas de muestra entre en el alojamiento, un emisor para generar iones a partir del gas de muestra, un gradiente de campo para acelerar los iones hacia un colector, estando el colector adaptado para medir el total de iones, y una salida para permitir que el gas de muestra salga del alojamiento, de modo que un cambio en el total de iones recibidos por el colector indica un cambio en la concentracion total de impurezas en el gas de muestra.

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La Patente de los Estados Unidos num. 6.924.479 concedida a Blanchard el 2 de Agosto de 2005, esta dirigida a la inyeccion de iones en un aparato de tubo de deriva para espectrometna de movilidad sin obturadores de iones, tal como el Bradbury-Nelson o disenos similares comunes a dichos tubos de deriva. En cambio, los iones se hicieron pasar entre la fuente de iones y la region de deriva usando gradientes de campo electrico dependientes del tiempo que actuan como barreras de iones entre anillos de deriva ordinarios. Los beneficios de este diseno son la simplicidad y la robustez mecanica. La tecnica de inyeccion de iones acumula dinamicamente los iones con anterioridad a su liberacion hacia la region de deriva del aparato en vez de destruir los iones creados entre pulsos de rejilla obturadora, como lo hace el metodo de Bradbury-Nelson. La invencion proporciona, no solo mejoras estructurales sobre los aparatos de tubo de deriva bien conocidos, sino que tambien reivindica la provision de metodos inventivos para operar un aparato de tubo de deriva para conseguir una eficacia maxima de inyeccion de analito y mejorar la sensibilidad a la deteccion ionica. Mejorar la sensibilidad de deteccion ionica de los tubos de deriva tiene aplicacion experimental practica. La incorporacion del aparato de la invencion en un detector de humo es una aplicacion practica adicional de la invencion.

La Patente de los Estados Unidos num. 6.828.795 concedida a Krasnobaev et al. el 7 de Diciembre de 2004, esta dirigida a un sistema de deteccion de explosivos que detecta la presencia de trazas moleculares en el aire. La sensibilidad de tales instrumentos depende de la concentracion del gas objetivo en la muestra. La eficacia de muestreo puede ser mejorada considerablemente cuando el objeto del objetivo se calienta, incluso solamente en unos pocos grados. Una emision directa de fotones, tfpicamente infrarroja o de luz visible, puede ser usada para incrementar significativamente la emision de vapor. La sensibilidad de tales instrumentos depende tambien del metodo de muestreo de gas utilizado. Una tobera de muestreo ciclonico puede mejorar considerablemente la eficacia del muestreo, en particular cuando se necesita realizar el muestreo a una distancia de la admision de aire.

Lo que se echa de menos en la tecnica anterior es una ensenanza de una combinacion de componentes que actuen de manera conjunta para proporcionar un dispositivo de IMS portatil miniaturizado que tenga sensibilidad y rendimiento incrementados para la deteccion de trazas de productos qufmicos. Asf, si se pudiera producir un Espectrometro de Movilidad Ionica (IMS) altamente sensible y miniaturizado, con rendimiento demostrado a temperatura elevada, se podrfa cumplir una necesidad sentida desde hace mucho tiempo en la tecnica.

El documento Baumbach J I et al., “Espectrometna de Movilidad Ionica: Llegar al Sitio y Moverse Mas Alla de un Perfil Bajo”, Espectroscopia Aplicada, Vol. 53, num. 9, Septiembre de 1999, paginas 338A-355A, divulga informacion adicional de antecedentes con relacion a la espectrometna de movilidad ionica, que incluye el uso de una forma de onda rectangular de baja tension para pulsar un opto-aislador para excitar transistores de salida a alta tension para controlar la diferencia de potencial de un par de alambres que actuan como obturador ionico.

El documento US 2004/245452 A1, el cual se considera que representa la tecnica anterior mas cercana, divulga un espectrometro de movilidad ionica segun se define en la porcion precaracterizadora de la reivindicacion 1.

Sumario de la invencion

La presente invencion proporciona un espectrometro de movilidad ionica segun se define en la reivindicacion 1. Las caracterfsticas opcionales adicionales se definen en las reivindicaciones dependientes.

Utilizando la combinacion de un unico circuito de control electronico de inyeccion de iones junto con una construccion de celda de deriva disenada de manera particular, el espectrometro de movilidad ionica que se describe en la presente memoria consigue niveles incrementados de sensibilidad, mientras que consigue reducciones significativas de tamano y peso. El presente IMS es de un diseno mucho mas simple y facil de fabricar, robusto y cerrado hermeticamente, capaz de operar a altas temperaturas de hasta al menos 250 °C, y es singularmente sensible, en particular a los productos qufmicos explosivos.

Se consigue un deposito unico de iones en el que los iones se recolectan temporalmente con anterioridad a su inyeccion en la region de deriva del IMS. Esta caracterfstica incrementa la poblacion de iones muestreada, permitiendo mas tiempo de reaccion entre los iones reactivos y las moleculas de la muestra, incrementando de ese modo el parametro de senal-ruido de los productos qufmicos de muestra. Esta caracterfstica unica permite una mejor sensibilidad mientras que permite geometrfas de diseno mas pequenas que producen un dispositivo relativamente pequeno.

Con el fin de conseguir un deposito de iones eficiente, se proporciona un circuito de control electronico de inyeccion de iones innovador que es mucho mas simple que los disenos actuales para IMS. Este circuito opera fuera de un pulso de temporizacion de activacion de baja tension que dispara un opto-aislador. Este dispositivo forma parte de un circuito de puente resistivo innovador conectado a un transistor de alta tension. El pulso de disparo en el opto- aislador provoca que la tension en la base del transistor de alta tension vane con el pulso. Esto permite que el transistor proporcione un pulso de tension de onda cuadrada aguda al anillo de control ionico. La gran cafda de tension resultante a partir del pulso provoca que los iones del deposito de iones sean inyectados en la region de deriva del IMS. Entre pulsos, el anillo de control de iones esta en una condicion de alta tension que detiene los iones en el deposito de iones. Este circuito, de una manera muy simple y fiable, permite que se realice la conmutacion de

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la alta tension (tipicamente entre 800 y 1000 voltios), lo que permite el establecimiento del deposito de iones descrito con anterioridad.

Las mejoras descritas con anterioridad producen un beneficio anadido en forma de diseno de IMS sin rejilla. Mientras que la mayoria de disenos de IMS actuales se basan en el uso de rejillas de pantalla y control ionico para proporcionar una tension de control uniforme radialmente a traves del tubo de deriva ionica, el circuito de inyeccion de iones segun se ha descrito con anterioridad, opera a tensiones suficientemente altas de modo que se ha encontrado que el uso de esas rejillas es innecesario en la construccion de celda de deriva de IMS unica que se describe a continuacion. Efectuar una realizacion que no requiera un diseno de rejilla complicada, simplifica considerablemente la construccion del IMS y tambien elimina virtualmente la captacion de ruido microfonico. El circuito de inyeccion de iones anterior puede ser considerado como una rejilla “virtual” para controlar el movimiento ionico.

Adicionalmente, en la presente memoria se proporciona una construccion unica de celda de deriva de IMS que emplea una construccion hermetica que usa anillos de aislamiento ceramicos unidos a anillos metalicos de una aleacion ferrosa de niquel-cobalto (tal como Kovar®) mediante un proceso de union de “metal activo”. Este diseno de ceramica-metal permite que la propia construccion de celda sea su propio recinto. En disenos anteriores, la estructura de celda de deriva de IMS estaba encerrada en un alojamiento externo para aislarla del entorno operativo. Puesto que la celda opera a altas tensiones, se deben proporcionar medios algo complicados para aislar electricamente la celda del recinto. Ademas, se presentan complejidades en cuanto a la provision de conexiones de alta tension a la celda a traves del recinto, y para hacer las conexiones de la senal. En el presente diseno, los anillos metalicos se fabrican con lenguetas que se conectan directamente a la placa de control de alta tension y del electrometro. El diseno hermetico del tubo de deriva permite que este IMS unico sea usado en aplicaciones que requieran que no se introduzca ningun contaminante del exterior, tal como para el analisis de de gases de ultra alta pureza. Tambien, en virtud del proceso de union de metal activo que requiere que la estructura de celda sea calentada a temperatura cercana a 1000 °C, todos los contaminantes de la estructura de celda que tengan cualesquiera presiones de vapor medibles, son eliminados, de tal modo que en funcionamiento normal la celda no desgasifica y puede ser almacenada durante un largo periodo de tiempo sin formacion de contaminantes procedentes de la lenta desgasificacion de los materiales tal como el problema que esto constituye en muchos disenos de IMS actuales. Esta novedosa celda puede operar tambien a temperaturas mucho mas altas que los IMSs actuales.

Un recinto de celda especial que proporciona calentamiento a la celda, que aisla la celda caliente de otros componentes del instrumento, y que aisla la celda de senales e interferencias electronicas espureas, ha sido proporcionado para permitir el montaje real y la operacion de la celda de deriva hermetica. El calentador es un sandwich de plastico de alta temperatura Kaptan®, que esta aislado electricamente cuando esta en contacto con los anillos de alta tension de la celda y no afecta al funcionamiento electrico de la celda. Esta es una aplicacion novedosa de esta clase de calentador para una celda de IMS, y ha sido posible merced al diseno simplificado de la propia celda. Adicionalmente, el calentador se controla mediante el uso de una fuente de alimentacion modulada en anchura de pulso que opera a una alta frecuencia de modo que no haya pulsos del calentador de transmision de pulsos que perturben la senal del IMS. Los pulsos del calentador son una contribucion significativa al ruido en los espectros de los dispositivos de IMS convencionales. La celda y el calentador estan encapsulados en un material aislante especial de poco peso que esta contenido en un alojamiento de plastico. El alojamiento, o bien esta recubierto con una pintura resistiva especial o bien esta impregnado con metal, de tal modo que el alojamiento funcione como apantallamiento del campo electrico que aisle la celda de la senal electrica espurea y de las interferencias externas.

Puesto que el concepto de deposito de iones permite la concentracion de iones y mayores eficacias de muestreo ionico sobre el diseno de IMS estandar, se puede utilizar una fuente de ionizacion de americio-241 de bajo nivel, por ejemplo tan bajo como 1 microcurie. Esto tiene una intensidad similar a la de las fuentes de Am-241 empleadas en detectores de humo comerciales, simplificando en gran medida o eliminando los requisitos reglamentarios. Sin embargo, puesto que la celda de IMS requiere altas temperaturas para su fabricacion, no resulta apropiado hacer esto con la fuente radiactiva instalada. Tambien, la celda de IMS puede ser fabricada en instalaciones sin licencia, puesto que la presencia de fuentes radiactivas no esta permitida en el lugar de la fabricacion. Por estas razones, se ha ideado un diseno de fuente unica y un procedimiento de instalacion que permite que la fuente sea facilmente instalada en una instalacion autorizada, despues de que el cuerpo de celda del IMS haya sido construido.

Por consiguiente, un objetivo principal de la presente invencion consiste en proporcionar un espectrometro de movilidad ionica que consiga niveles incrementados de sensibilidad, mientras se consiguen reducciones significativas de tamano y de peso. El presente IMS es de diseno mucho mas simple y mas facil de fabricar, es decir robusto y sellado hermeticamente, capaz de operar a alta temperatura de al menos 250 °C, y es excepcionalmente sensible.

Un objetivo adicional de la presente invencion consiste en un espectrometro de movilidad ionica que incorpora un deposito de iones para proporcionar sensibilidad incrementada.

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Otro objetivo mas de la presente invencion consiste en un circuito electronico de control de inyeccion de iones que facilita la conmutacion de alta tension de una manera que permite el establecimiento de un deposito de iones.

Un objetivo mas de la invencion consiste en proporcionar un espectrometro de movilidad ionica que sea sin rejilla.

Un objetico adicional mas de la presente invencion consiste en proporcionar una construccion de celda de deriva para un espectrometro de movilidad ionica que elimine la introduccion de contaminantes del exterior y que imposibilite la formacion de contaminantes desgasificados internamente.

Otros objetos y ventajas de la presente invencion se pondran de relieve a partir de la descripcion que sigue, tomada junto con los dibujos que se acompanan, en los que se han definido, a titulo ilustrativo y de ejemplo, determinadas realizaciones de la presente invencion.

Los dibujos contenidos en la presente memoria constituyen una parte de la presente descripcion e incluyen ejemplos de realizacion de la presente invencion e ilustran varios objetos y caracteristicas de la misma.

Breve descripcion de las figuras

Figura 1: Diagrama esquematico de funcionamiento de un IMS estandar de la tecnica anterior;

Figura 2: Diseno tipico de circuito de control ionico;

Figura 3: Esquema de diseno de celda de deriva de deteccion de explosivos;

Figura 4: Anillo protector;

Figura 5: Tubo de deriva de prototipo de analisis de gas puro;

Figura 6: Ilustra un espectro de iones negativos.

Descripcion detallada de la invencion

Descripcion general de espectrometria de movilidad ionica, operacion y teoria:

El IMS, aunque complejo en muchos de sus aspectos, es facil de describir. En terminos generales, se puede considerar como un analizador electronico, de fase de gas, de presion atmosferica, de trazas quimicas, que proporciona sensibilidad de bajos picogramos para muchos productos quimicos, con discriminacion quimica basada en movilidad ionica. Estructuralmente, es simplemente un tubo de deriva de campo electrico con una fuente ionizante, un medio para inyectar los iones en el tubo de deriva, y un colector de iones que mide electricamente los iones. De forma mas detallada, es mas facil describir la estructura y la operacion de un IMS estandar de la tecnica anterior usando un diagrama esquematico, segun se expone en la Figura 1.

En el modelo estandar de IMS, el tubo de deriva consiste en una serie de anillos cilindricos apilados aislados entre si y respecto a masa. Los anillos estan conectados entre si en serie a modo de divisor resistivo de tension, el cual, cuando se suministra una alta tension, energiza cada anillo sucesivo del apilamiento a una tension mas baja progresivamente uniforme, estableciendo un gradiente de campo lineal uniforme a lo largo del eje del tubo de deriva. En algunos casos, en vez de anillos apilados, se ha usado un tubo recubierto resistivo de una sola pieza, pero debido a la alta resistencia requerida, en la practica, estos son dificiles de fabricar de manera uniforme. La alta tension se aplica al extremo fuente de la celda; el extremo de colector esta proximo al potencial de masa.

Normalmente, la celda completa esta a, o proxima a, la presion atmosferica. Los vapores de muestra 101 entran en la region 102 de reaccion de molecula ionica segun se ha mostrado en la Figura 1. En casi todas las configuraciones de un IMS estandar, se utiliza una fuente de ionizacion 103 de niquel-63 radiactivo. La actividad tipica es de 15 milicuries. Se han usado fuentes radiactivas que utilizan tritio o americio-241, asi como otras clases de mecanismos de ionizacion, tal como UV, descarga electrica y coronas, rayos X, y laseres de alta energia. La ionizacion del gas portador que contiene los vapores de muestra 101 da como resultado la formacion de determinados iones reactivos dependiendo de la naturaleza del gas. Por ejemplo, en el aire ambiental, los iones positivos formados son inicialmente iones de oxigeno y de nitrogeno molecular, los cuales transfieren rapidamente carga a las moleculas de agua presentes en el aire del ambiente para producir iones agrupados de agua. Los iones negativos formados son principalmente iones de oxigeno molecular. Se producen continuamente iones de ambos signos en el plasma neutro cerca de la fuente radiactiva, que en ausencia de campo electrico se recombinan rapidamente a su estado natural. Una vez aplicada la tension, los iones negativos y positivos se separan. Si se aplica tension positiva, los iones negativos son empujados hacia el anillo fuente a alta tension, mientras que los iones positivos son repelidos hacia el tubo de deriva donde siguen el gradiente de campo electrico hacia el extremo de colector del tubo de deriva. La aplicacion de tension negativa invierte la situacion, y los iones negativos se mueven descendiendo en el tubo de deriva. Los iones positivos agrupados de agua y los iones negativos de oxigeno, se denominan iones reactivos,

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puesto que reaccionan facilmente y de forma muy eficiente con la mayor parte de los constituyentes de la traza en el gas para producir los iones del producto. En la Figura, los iones reactivos han sido identificados como R+, y las moleculas de muestra como A, B y C, que se convierten en los iones de producto A+, B+ y C+.

Muchas de las reacciones de moleculas ionicas son muy rapidas y son la razon de la alta sensibilidad de la tecnica del IMS. Concentraciones tan bajas como 10-14 han sido medidas usando IMS. Desde el punto de vista practico, se pueden medir niveles de trazas quimicas en bajos picogramos (10-12 g) o inferiores. Otra consideracion importante consiste en que la respuesta es proporcional al tiempo de reaccion. Esto ha sido considerado usualmente como que es el tiempo de deriva del ion reactivo en la region de reaccion, y tipicamente de solo unos pocos milisegundos.

Todos estos iones asi formados se mueven a traves de la region de reaccion 102 hacia la rejilla obturadora 104. En un IMS estandar, la rejilla obturadora es de tipo Bradbury-Nielsen, que consiste en alambres interdigitados formados a traves de un anillo. Los alambres adyacentes estan aislados entre si y normalmente tienen aplicadas pequenas tensiones polarizadas opuestas. Si, por ejemplo, la rejilla obturadora 104 esta a un potencial medio de 2000 V, los dos conjuntos de alambres pueden estar a 1985 V y 2015 V, teniendo un tension de polarizacion de +15 V aplicada con relacion a la tension media de la rejilla obturadora. Puesto que los alambres estan espaciados de cerca, se establecen campos electricos relativamente altos cerca de los alambres radialmente al gradiente de campo del tubo de deriva principal. Los iones que se mueven hasta esta rejilla son atraidos rapidamente hasta un conjunto de alambres, y descargados. De ese modo, la rejilla, en su condicion de “cerrada”, detiene todos los iones evitando que se muevan mas alla en el tubo de deriva. Para “abrir” la rejilla, se eliminan las polarizaciones de tension en los alambres, y los iones siguen el gradiente de campo del tubo de deriva hacia la region de deriva 105. Existe alguna perdida de iones debida a los iones que golpean los alambres, por lo que se usan alambres muy finos, que proporcionan a la rejilla tipicamente una transparencia optica del 80% o mas. La rejilla se abre a continuacion repetitivamente durante cortos intervalos, admitiendo pulsos de los iones mezclados hacia la region de deriva 105. El funcionamiento de la rejilla obturadora 104 opera sobre franjas de tiempo del orden del milisegundo. Tipicamente, la rejilla obturadora 104 se abre cada 20 a 50 ms durante alrededor de 0,2 a 0,5 ms. No es necesario decir que la construccion de la rejilla obturadora 104 y del circuito de control requerido es muy compleja, y ha sido historicamente la de mayor dificultad para fabricar y el componente mas costoso en los espectrometros de movilidad ionica. Adicionalmente, los alambres finos, explicados que se han usado, son microfonicamente sensibles, de modo que la rejilla obturadora 104 opera a modo de microfono acustico, ruido que contribuye a los espectros de movilidad ionica a partir de cualesquiera vibraciones externas.

Volviendo a la Figura, dado que el pulso mezclado de iones desciende por el tubo de deriva, estos se separan en diferentes especies quimicas de iones en base a sus diferentes movilidades en el medio de deriva, tipicamente el aire. Normalmente, el aire de la region de deriva 105 se mueve en direccion de contracorriente respecto al flujo ionico. El gas de deriva aplaca de manera efectiva las reacciones de ion-molecula que ocurren en la region de reaccion 102. Esto permite una separacion clara de los picos en la region de deriva 105. Las especies de iones individuales pueden estar pensadas para que se separen cromatograficamente en la “fase estacionaria” del medio de deriva. De ese modo, se ha usado el nombre anterior para IMS, cromatografia de plasma, debido a que se formo un plasma que se separo despues cromatograficamente. Mientras que una cromatografia de gas o liquido produce tipicamente cromatogramas en minutos, la “cromatografia de plasma” produjo “cromatogramas” en milisegundos. El nombre de espectrometria de movilidad ionica fue adoptado en fase temprana para indicar muchas de las similitudes entre IMS y espectrometria de masas. El IMS puede ser considerado como que es un espectrometro de masas de tiempo-de-propagacion operado a presion atmosferica. El IMS no tiene la resolucion de un espectrometro de masas, pero es mucho menos complejo y en muchas aplicaciones tiene realmente una sensibilidad mayor.

Tanto el peso molecular como la seccion transversal ionica (la forma) afectan a la movilidad. Bajo el campo aplicado, los iones estan sometidos a miles de colisiones con las moleculas de aire que encuentran, lo que provoca que los iones se muevan a una velocidad final media en oposicion a aceleracion continua en el campo electrico. Dentro de cada pulso de iones, los procesos de difusion provocan que el pulso ionico adquiera una curva de campana o forma semi-gausiana. La llegada de los pulsos individuales al electrodo de colector 107, a traves de la rejilla de apertura 106, produce un espectro de tiempo de llegada de iones caracteristico segun se ha mostrado en la Figura. El colector 107 es casi siempre de tipo Faraday, y esta conectado a un electrometro rapido que convierte las corrientes ionicas muy pequenas en tensiones sensibles que pueden ser leidas a continuacion en un osciloscopio para ver los espectros. Las modernas tecnicas de procesamiento de datos permiten la rapida grabacion y visualizacion de los espectros. Puesto que los espectros se generan tan rapidamente, se acumulan tipicamente un numero de espectros y de senal promediada para mejorar la relacion de senal respecto a ruido. Cincuenta espectros de 20 milisegundos, por ejemplo, producen un espectro promediado cada segundo mas o menos, lo que normalmente es mas que suficiente para la mayor parte de las aplicaciones.

Operacion y ventaja del diseno del deposito de iones:

En el IMS miniaturizado descrito en la presente memoria, se ha adoptado una aproximacion diferente para producir e inyectar los iones en la region de deriva. La rejilla obturadora ha sido eliminada, paro el anillo equivalente hacia la misma funcion teniendo aplicada al mismo una tension relativamente alta, invirtiendo de ese modo el campo en este punto para detener los iones. El nivel de inversion del campo ha de ser muy alto para que esto se lleve a cabo. El

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efecto de hacer esto es el de crear un deposito de iones en el espacio por encima del anillo de alto potencial. Para ver un ejemplo: si se aplican 1000 V a un tubo de deriva de 10 cm de largo, con anillos separados a intervalos de 1 cm, entonces la diferencia de tension entre cada anillo seria de 100 V. El anillo fuente estaria a 1000 V, el siguiente anillo descenderia hasta llegar a 900 V, el siguiente a 800 V, y asi sucesivamente, para producir un gradiente de campo uniforme descendiendo por el tubo. Si a continuacion, por ejemplo el 5° anillo descendente en vez de estar a 600 V estuviera a 800 V, entonces la secuencia de tensiones de anillo al descender por la celda seria: 1000 V, 900 V, 800 V, 700 V, 800 V, 500 V, 400 V, etc. El 4° anillo que ahora esta a 700 V, es un potencial bajo con relacion a los anillos de por encima y de por debajo que estan a 800 V. Los iones que descienden en el tubo desde la fuente, se detendran en esta zona de bajo potencial. Sin embargo, la fuente esta continuamente produciendo iones que van hacia abajo por el tubo de deriva hasta que encuentran la zona de bajo potencial, donde estos “se apilan” sobre la parte superior de los iones que ya estan alli. De ese modo, los iones se acumulan en este deposito de bajo potencial. La poblacion de iones en el deposito es dinamica ya que el flujo de iones entrantes esta eventualmente equilibrado por la perdida de iones en las paredes del tubo de deriva principalmente mediante difusion. Si la concentracion ionica es suficientemente alta, los efectos de carga espacial y de repulsion mutua pueden tambien limitar la concentracion ionica. Se puede demostrar que la difusion opera en franjas de tiempo multiplos de decenas de milisegundo, de modo que si la poblacion ionica se muestrea cada 20 ms o similar, la mayor parte de los iones acumulados estan todavia presentes en el deposito. El deposito se muestrea y se inyecta en la region de deriva invirtiendo el 5° anillo de potencial mas alto, desde 800 V a 600 V, lo que restablece entonces el gradiente de campo uniforme al descender por el tubo de deriva. Los iones mezclados en el deposito se mueven a continuacion hacia la region de deriva y se separan en picos de iones individuales segun se ha descrito anteriormente para el IMS estandar. La tension de la celda se mantiene uniforme durante un tipo suficiente para permitir que todos los iones del deposito se muevan mas alla del 5° anillo hacia la region de deriva de la celda. En la practica, el tiempo es de 1 a 5 ms. A continuacion, se aplica de nuevo el potencial mas alto al 5° anillo, y el proceso se repite. Tipicamente, el deposito se muestrea cada 20 ms, lo que proporciona tiempo suficiente para que sean medidos todos los picos de iones.

La tecnica del deposito de iones tiene un numero de consecuencias importantes ademas de proporcionar una alternativa a la tecnica de rejilla obturadora estandar. En el IMS estandar, la rejilla obturadora se abre solamente durante tipicamente el 1% del tiempo. Esto significa que solamente el 1% de los iones que se generan en la fuente son realmente muestreados. El 99% se pierden. Tambien, el tiempo de reaccion para la produccion de iones de muestra es el tiempo relativamente corto que toma un ion reactivo para atravesar la longitud de la region de reaccion. Con el deposito de iones, se encuentran disponibles un numero de iones proporcionalmente mucho mayor para ser medidos. Teoricamente, esto podria ser del 100%, pero en la actualidad las perdidas en el deposito reducen este numero. Adicionalmente, puesto que los iones residen en el deposito entre intervalos de muestreo, el ion reactivo tiene mas tiempo para reaccionar con las moleculas de muestra. Ambos efectos mencionados incrementan la sensibilidad de esta tecnica respecto a cualquier nivel dado de productos quimicos de muestra frente al modelo estandar.

El incremento del numero de iones muestreados no conduce normalmente a un gran incremento de la sensibilidad del IMS debido a dos factores: la mejora de la relacion senal-ruido no es normalmente proporcional al numero incrementado de iones muestreados, y para las fuentes de niquel-63 relativamente energeticas utilizadas, los efectos repulsivos de carga espacial pueden limitar la capacidad para concentrar apreciablemente iones en el deposito. Sin embargo, la capacidad de utilizar el deposito de iones no permite el uso de una fuente menos energetica. En el trabajo de prototipo, se uso una fuente de americio-241 de 0,9 microcuries con resultados excelentes. En el IMS miniaturizado divulgado en la presente memoria, por razones mecanicas, se uso una fuente de americio-241 de 20 microcuries. Las intensidades de pico observadas al utilizar esta fuente con el deposito de iones son equivalentes a, o mejores que, las observadas en un IMS estandar que use 15 microcuries de niquel-63, teniendo casi 1000 veces la actividad.

Tambien, debido a los tiempos de reaccion mas largos disponibles, la longitud de la region de reaccion puede ser reducida considerablemente, y el tubo de deriva miniaturizado en su totalidad. El volumen del presente IMS es de aproximadamente el 5% de un IMS estandar, con una reduccion concomitante de peso, tambien. Los volumenes mas pequenos tienen ventajas de medicion practicas, debido a que se utiliza menos gas para operar y clarificar el tubo de deriva. El uso del deposito de iones simplifica tambien considerablemente la electronica de control.

Descripcion del circuito electronico de control de inyeccion de iones:

El circuito electronico de control de inyeccion de iones util en el IMS divulgado en la presente memoria, ha sido ilustrado en la Figura 2. El funcionamiento de este circuito esta controlado por un pulso 202 de temporizacion de disparo de baja tension segun se muestra en la Figura. Este pulso de disparo puede ser generado externamente de una multiplicidad de formas, tal como a partir de un circuito de disparo o a partir de un pulso generado por ordenador. El pulso de disparo debera tener la forma de una onda cuadrada con una amplitud de +5 V a +15 V, un periodo de repeticion de 10-50 ms tipicamente, y una anchura de pulso de 1-20 ms. No obstante, con el fin de generar picos apropiados en el IMS desde el deposito de iones, se ha demostrado experimentalmente que la anchura de pulso requerida es de 1 a 5 ms de duracion.

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La organizacion de un circuito de control de iones generico conforme a nuestro diseno, puede ser apreciada en la Figura 2. En este circuito particular, la alta tension se suministra desde una fuente de alimentacion de +1500 V. Existen tres patillas procedentes de la fuente de alimentacion de +1500 V. Cada patilla tiene su propia trayectoria hasta las masas representadas. Las patillas marcadas con etiquetas de tensiones de +903 voltios y +1100 voltios estan separadas debido a la accion de Q2, un transistor PNP de alta tension, y del diodo D1. Puesto que la patilla con los valores de tension en italicas solamente contacta con la patilla de +1100 voltios en la base de q2, esta tiene tambien una masa independiente. Considerando en primer lugar la situacion en la que ambos Q1 y Q2 estan abiertos, entonces se aplican las etiquetas de tension de +1100 voltios en italicas y +903 V. En esta situacion, las trayectorias de la tension son relativamente simples. La patilla de +1100 V de la izquierda tiene un valor de resistencia total de 15 megohmios. La patilla del centro en italicas, tiene un valor de resistencia de 16 megohmios. La patilla de la derecha de +903 V tiene una resistencia de total de 15,07 megohmios, debido al efecto del resistor de 200 megohmios y del resistor de 9,5 megohmios que esta en paralelo cuando Q2 esta abierto. Las tensiones calculadas en varios puntos del circuito han sido mostradas en la Figura. Por ejemplo, el resistor de 4 megohmios en la parte superior de la patilla izquierda que proviene de la fuente de alimentacion de 1500 V, proporciona entonces una caida de tension de 400 V (4 / 15 = 0,26667, x 1500 V = 400 V), estableciendo la tension bajo este resistor en +1100 V, segun se ha mostrado. Esta es la tension alimentada al emisor del transistor Q2. Puesto que, en esta condicion, la base de Q2 esta a +1125, y es mayor que la tension del emisor de +1100 V, Q2 esta en condicion abierta (base mas positiva). Cuando Q2 esta abierto, la tension en el anillo de control a traves del diodo D1 se calcula de modo que sea +903 V. Esta es la posicion abierta para el anillo de control ionico, que permite que los iones pasen hacia la region de deriva de la celda. Esta condicion se mantiene durante el pulso de disparo de 1 a 5 ms para Q1.

Q es un opto-aislador de alta tension. La accion del pulso de disparo de baja tension abre o cierra Q1 respecto al paso de corriente. Cuando Q1 se cierra, entonces existe una trayectoria de resistencia en paralelo formada sobre la patilla en italicas. Ahora hay 5 megohmios en paralelo con 5,121 megohmios (despreciando la resistencia de Q1). Esto produce una resistencia equivalente para las dos ramas juntas de 2,53 megohmios. De ese modo, la resistencia total de la patilla en italicas cae de 16 megohmios a: 4 megohmios + 2,53 megohmios + 7 megohmios = 13,53 megohmios. Ahora, el resistor de 4 megohmios en la parte superior de esta patilla proporciona un porcentaje mayor de caida de tension desde la alimentacion de +1500 V con la resistencia total reducida a 13,53 megohmios. Esta caida de tension es de 444 V, lo que establece la tension bajo este resistor de 4 megohmios en +1056 V segun se ha indicado mediante los valores de tension en negrita. Puesto que la tension suministrada a la base de Q2 en estas condiciones, de +1056 V, es ahora menor que la tension de emisor de +1100 V, Q2 se cierra, lo que proporciona una trayectoria de tension alternativa para el anillo de control ionico. El resistor de 200 megohmios esta ahora en paralelo con el resistor de 11 megohmios en la patilla de la izquierda, lo que establece la tension en el anillo de control ionico en +1084 V, segun se ha representado. El diodo D1 impide la comunicacion con los 903 V de esta patilla, aislando esta tension del anillo de control ionico y permitiendo un funcionamiento apropiado del circuito. La tension del anillo de control varia entre 903 V (abierto a los iones) y 1084 V (cerrado a los iones) con la actuacion del pulso de disparo.

Por lo tanto, segun se ha descrito con anterioridad, el circuito, por medio de las acciones del pulso de temporizacion de disparo de baja tension, del opto-aislador de alta tension y del circuito de puente resistivo conectado al transistor de alta tension, permite que este transistor proporcione un pulso de tension de onda cuadrada aguda al anillo de control ionico. La gran caida de tension a partir del pulso, provoca que los iones del deposito de iones sean inyectados en la region de deriva del IMS. Entre pulsos, el anillo de control ionico esta en una condicion de alta tension que detiene los iones en el deposito de iones. El circuito, de una manera muy simple y fiable, permite que se realice conmutacion de alta tension (en este ejemplo, entre +903 V y 1084 V), lo que efectivamente permite el establecimiento de un deposito de iones, lo cual no era posible con anterioridad siguiendo las ensenanzas de la tecnica anterior, por ejemplo de la Patente U.S. num. 4.855.595 de Blanchard.

El resistor de 121 kilo-ohmios en serie con Q1, se utiliza para protegerlo de las altas corrientes, permitiendo una caida de tension de solamente 7 V. La corriente a traves de Q1 se calcula como 1500 V/13,53 megohmios = 110 microamperios. La corriente a traves de Q2 cerrado y bajo los 200 megohmios a tierra, es de solamente 5,7 microamperios. Estas bajas corrientes permiten tambien que se usen componentes miniaturizados de tecnologia de montaje superficial, SMT, reduciendo considerablemente el coste de produccion de este circuito. Q1 no puede ser usado en si mismo para establecer las tensiones en el anillo de control ionico, debido a que este componente solo no puede proporcionar la forma de pico del pulso de alta tension apropiado. Tambien puede ser que debido a las diferencias de tension relativamente grandes requeridas, los limites de tension y de corriente de los opto-aisladores miniatura esten proximos a ser excedidos. El opto-aislador proporciona los pocos milisegundos de estado quiescente que necesita la base de los transistores para establecer el tiempo. Tambien ayuda a alargar la vida de los transistores de conmutacion, asi como proporciona aislamiento entre los pulsos de disparo de alta tension y de baja tension. El circuito segun se describe en la presente memoria, permite solamente un pequeno cambio de tension de 69 V en la base del transistor para realizar un cambio de tension de 181 V en el anillo de control ionico. El circuito descrito puede ser facilmente conmutado a circuito de tension negativa cambiando el transistor de PNP a NPN, e invirtiendo la direccion del diodo D1.

Todos los valores de resistor y tensiones usados pueden ser cambiados en alguna medida para optimizar el

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rendimiento en cualquier aplicacion de analisis dada, pero los esenciales de este circuito permanecen sin cambio. Ademas, se puede anadir un resistor de 1 megohmio en serie con el resistor de 200 megohmios mostrado en la Figura 2 para proporcionar un punto de prueba de baja tension para monitorizar las caracteristicas de tension reales del anillo de control ionico.

Se han usado varias tensiones para los circuitos de iones positivos dependiendo de la aplicacion. Por ejemplo, para el proyecto NASA que opera en helio, los circuitos de control ionico y de divisor de tension fueron realizados a +345 V y +280 V, respectivamente. Debido al bajo potencial de ruptura del helio, se necesitaron tensiones mas bajas a efectos de eliminar posibles formaciones de arco. Los circuitos se comportaron bien bajo estos rangos de voltajes.

Construccion de celda de deriva del IMS:

El conjunto de deteccion de iones incluye una construccion de celda de deriva de IMS unica que emplea una construccion hermetica que utiliza anillos aislantes 301 de ceramica (tambien conocidos como aisladores ceramicos o separadores ceramicos) unidos a anillos metalicos 302 Kovar® (tambien conocidos como anillos de proteccion y uno de los cuales es un anillo de control ionico) mediante un proceso de union de “metal activo”. Este proceso se encuentra disponible comercialmente, y el proceso particular usado para la fabricacion del prototipo era propiedad del fabricante. Este diseno de ceramica-metal permite que la propia construccion de la celda sea su propio recinto. La Figura 3 muestra una estructura de diseno de prototipo de la celda de deriva de deteccion de explosivos. Tambien se ha mostrado en la Figura 3 el colector 107, el conjunto de fuente 304, la ceramica de transicion 306, el primer tubo de salida 308, la ceramica del tubo de salida 310, y el segundo tubo de salida 312. El proceso de soldadura de metal activo consigue un vinculo permanente entre un metal apropiado, tal como Kovar®, y una ceramica a base de alumina de alto grado, usando una instalacion de coccion. El proceso es relativamente rapido y simple. Se incorporaron un numero de innovaciones de diseno en la construccion de la celda de deriva tanto en relacion con mejoras de rendimiento como con simplificacion de la fabricacion. Se comprobo que los anillos Kovar® 302 podian ser estampados para que incluyan una lengueta 302a para realizar la conexion electrica. El diseno de todo esto se ha mostrado en la Figura 4. Esta pieza era muy delgada, con un espesor de solamente 0,79 mm (0,031”). Esto proporciono tres ventajas. Las piezas delgadas de Kovar® son menos costosas de fabricar, suponen un menor esfuerzo durante el proceso de union, y pueden proporcionar un campo mas uniforme en la celda del IMS. Los anillos de proteccion metalicos mas delgados producen “escalones” mas grandes en el gradiente del campo. Estos anillos de proteccion 302 producen un campo mas uniforme. Tener la lengueta 302a estampada como parte del anillo 302 simplifico considerablemente el montaje de la celda puesto que ya no se requirio soldar las lenguetas sobre los anillos, o soldar por puntos los alambres de conexion. Las lenguetas 302a estan disenadas para ser conectadas directamente a una placa de circuito que contenga la serie de resistencia de purga.

Se determino que el procedimiento preferido consiste en usar anillos Kovar® 302 y separadores ceramicos 301 con las mismas dimensiones externas. Esto permite que se pueda usar un accesorio simple para construir la celda. Los diametros de los anillos y separadores podrian ser ahora los mismos puesto que las lenguetas de los anillos permiten que las conexiones electricas se realicen con facilidad. Esto hace que la ingenieria de diseno del calentador sea muy facil debido a que la celda puede ser colocada facilmente en un bloque calentador aislado que contacte con todas las superficies de la celda para un calentamiento apropiado. La pared interna de ceramica esta a una distancia del borde interno del anillo de proteccion metalico que podria tambien reducir cualesquiera efectos estaticos sobre el campo de gradiente de tension.

Las partes de ceramica y de Kovar® se ensamblan verticalmente, pieza a pieza, en una instalacion de coccion. El accesorio, que contiene el conjunto todavia sin soldar, se coloca a continuacion en un horno a aproximadamente 1000 °C para completar el proceso de soldadura de metal activo. La Figura 5 muestra una version de la celda de deriva 10 que puede ser usada para analisis de gas puro. Los tapones extremos y los tubos laterales requirieron cuidadosas consideraciones en su diseno para impedir fracturas y contaminacion durante el proceso de coccion. Las piezas de tubo extremas fueron disenadas de modo que tenian un tapon hueco 12 que podia acoplarse a continuacion durante una etapa mecanizada sobre el extremo de la pieza extrema 16 ceramica de emparejamiento. De esta manera, la soldadura se realizo sobre el diametro en vez de sobre el plano. Esto produce esfuerzos de compresion durante la coccion o el enfriamiento, tolerados facilmente por la ceramica.

Segun puede apreciarse en el dibujo de celda de deriva de deteccion de explosivos mostrada en la Figura 3, el tubo lateral (tubo de salida) fue disenado para acoplarse sobre una protuberancia formada en un separador ceramico apropiado. Este fue el separador central 18 como se ha mostrado en la Figura 5, o bien incluia tambien el separador 306 cercano a la entrada segun se muestra en el dibujo de la Figura 3. La protuberancia tenia un escalon en el extremo de modo que se pudiera acoplar en el mismo un talon del Kovar®, de forma similar a los extremos de tubos. Segun se ha mostrado en la Figura 5, un tubo de acero inoxidable 20 de 1/8 de pulgada, fue soldado a continuacion en el talon 22 del Kovar®. Este diseno proporciona una construccion robusta con la soldadura de laton realizada sobre el diametro exterior relativamente grande de la protuberancia ceramica.

Los tapones extremos fueron de dos disenos. Un tipo es el mostrado en la Figura 5. Los tapones extremos 12 tienen tubos 14 de acero inoxidable de % de pulgada soldados sobre los mismos, a los que se pueden soldar accesorios

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hermeticos al gas (tipicamente VCR), con el fin de hacer una celda completamente hermetica al gas para analisis de gases de alta pureza. El otro tipo de tapones extremos 320 es el mostrado en el dibujo de la celda de deriva de deteccion de explosivos (Figura 3). Estos tapones 320 estan ahusados para roscas de acoplamiento Swagelok® de 1/8 de pulgada. Un codo de union Swagelok® de 1/8 de pulgada podria ser roscado a continuacion el tapon extremo trasero, y el accesorio de entrada roscado en el tapon de entrada.

Otra caracteristica muy importante del diseno de ceramica-metal es el uso de componentes ceramicos de alta resistencia. El electrometro y el circuito de deteccion de iones del presente IMS son sumamente sensibles, estando capacitados para medir femtoamperios. La celda opera a altas tensiones, de modo que corrientes de fugas muy pequenas a traves de los aisladores de la celda pueden ser un gran problema. Se ha calculado que los aisladores ceramicos necesitan proporcionar 10.000 megohmios de resistencia para un comportamiento optimo.

En disenos anteriores del conjunto de deteccion de iones, la estructura de la celda de deriva del IMS estaba encerrada en un alojamiento externo para aislarla del entorno de operacion. Puesto que la celda esta operada con altas tensiones, se han proporcionado medios algo complicados para aislar electricamente la celda del recinto. Tambien, se presentan complejidades adicionales en la provision de conexiones de alta tension en la celda a traves del recinto, y para realizar las conexiones de la senal. Las celdas del IMS son normalmente dificiles de fabricar debido a su complejidad y a los rigurosos requisitos electricos y de limpieza de la tecnica. La tecnica anterior falla en cuanto a mostrar un diseno que sea inherentemente simple, robusto, y limpio como en el caso del diseno divulgado en la presente memoria. Este diseno de ceramica-metal permite que la propia construccion de la celda sea su propio recinto. El diseno hermetico del tubo de deriva permite que se use este IMS unico para aplicaciones que requieran que no se introduzcan contaminantes externos, tal como para el analisis de gases de ultra alta pureza. Tambien, en virtud del proceso de union de metal activo, que requiere que la estructura de la celda sea cocida a temperatura proxima a 1000 °C, todos los contaminantes de la estructura de celda que tengan cualesquiera presiones de vapor medibles son eliminados, de modo que durante la operacion normal la celda no desgasifique, y pueda ser almacenada durante largos periodos de tiempo sin la formacion de contaminantes procedentes de la lenta desgasificacion de los materiales como el problema que ocurre en muchos disenos de IMS actuales. Esta novedosa celda puede ser operada tambien a temperaturas mucho mas altas que los actuales IMSs.

Ejemplo ilustrativo:

Diseno de IMS sin rejilla

Puesto que el diametro de los anillos de proteccion es solamente de 5,512 mm (0,217 pulgadas) en el diseno miniaturizado, no es necesario que las estructuras de pantalla de rejilla establezcan el campo uniformemente a traves del area del anillo normal al flujo de iones. El deposito de iones se establece en el anillo de proteccion por encima del anillo de control donde el potencial de la tension es mas bajo entre pulsos de control.

Un prototipo del presente diseno de IMS estuvo operado electricamente de tal modo que la funcion de control estuvo operada solamente tres anillos por debajo de la fuente. Esto tuvo el efecto de incrementar la longitud de deriva mediante otros tres anillos de proteccion y reducir la region de reaccion en la misma longitud. Este alargamiento de la region de deriva en aproximadamente un 35% no debe causar teoricamente ninguna perdida en la corriente ionica, puesto que los iones se estan desplazando la misma distancia global, sino que mejorara la resolucion de pico. Puesto que el concepto de Mini-Celda emplea al deposito de iones, no se gana mucho por tener una region de reaccion muy larga. Las reacciones quimicas requeridas de ion reactivo/muestra, ocurriran en su mayor parte en la region del deposito de iones.

Segun se aprecia en la figura 6, un ion reactivo fuerte bien conformado es el unico pico evidente en el espectro.

Tambien, eliminar la rejilla de pantalla no afecto negativamente al rendimiento del IMS. Realmente, puesto que la transmision optica de una rejilla fue solamente del 61%, el rendimiento real fue mejor, debido a que mas iones alcanzaron el colector dando como resultado una mayor amplitud de pico, mejorando de ese modo la relacion de senal respecto a ruido. Puesto que la tecnica de deposito de iones permitio que el IMS fuera miniaturizado eficazmente, el diametro interno resulto ser tal que no fueron necesarias las rejillas para establecer un campo uniforme en el radio de la celda. No usar un diseno de rejilla complicado simplifica en gran medida la construccion del IMS y tambien elimina virtualmente la captacion de ruido microfonico. El circuito de inyeccion de iones puede ser considerado como el uso de una rejilla “virtual” para controlar el movimiento ionico.

tobera y que incluye en ella un deposito de iones en comunicacion electrica con un circuito electronico de control de inyeccion de iones; y una pantalla LCD de visualizacion, o similar, para la representacion de texto de los resultados de salida del procesador de a bordo; por lo que se realiza el muestreo de una corriente gaseosa y se determinan y notifican cualesquiera contaminantes contenidos en ella.

Claims (3)

1. REIVINDICACIONES

   1. - Un espectrometro de movilidad ionica (IMS) que comprende una celda de deriva que tiene una serie de anillos metalicos (302) conectados a tensiones de anillo respectivas para producir un gradiente de campo a lo largo de la

   5 celda de deriva, en donde uno de los anillos metalicos es un anillo de control ionico dispuesto para disponer de una tension aplicada al mismo para producir una inversion de campo en el tubo de deriva (10) para formar con ello un deposito de iones para almacenar iones; caracterizado porque la celda de deriva emplea una construccion de tubo de deriva (10) hermetico usando anillos aislantes (301) de ceramica, unidos a los anillos metalicos (302) por medio de un proceso de union de metal activo, estando los anillos metalicos (302) formados a partir de una aleacion ferrosa 10 de niquel y cobalto, proporcionando con ello una construccion de celda auto-cerrada, comprendiendo ademas el IMS un circuito electronico de control de inyeccion de iones que incluye medios para proporcionar un pulso de temporizacion de disparo de baja tension efectivo para disparar un opto-aislador (Q1); en donde el circuito electronico de control de inyeccion de iones comprende un circuito puente resistivo acoplado electricamente a un transistor (Q2); en donde el pulso de temporizacion de disparo en dicho opto-aislador (Q1) provoca que la tension en 15 la base del transistor (Q2) varie con dicho pulso; con lo que dicho transistor (Q2) proporciona un pulso de tension de onda cuadrada al anillo de control ionico efectivo para producir una caida de tension resultante que provoca que los iones del deposito de iones sean inyectados en la region de deriva del IMS a lo largo del tubo (10) de deriva ionica.
2. 2. - El espectrometro de movilidad ionica de la reivindicacion 1, en donde cada uno de los anillos metalicos (302) 20 estan fabricados con una lengueta (302a) integral para realizar una conexion electrica con su tension respectiva.
3. 3. - El espectrometro de movilidad ionica de la reivindicacion 1 o 2, en donde los diametros externos de los anillos metalicos (302) y de los anillos aislantes (301) de ceramica son iguales.

   25 4.- El espectrometro de movilidad ionica de la reivindicacion 1, 2 o 3, que comprende ademas una fuente de

   ionizacion de americio 241 de 20 microcuries o menos.