JP5242673B2 - 検出器およびイオン源 - Google Patents

Description

本発明は、全長にわたって混合領域を有する流路を備えたイオン源アセンブリに関するものである。

爆薬、危険性化学物質およびその他の蒸気の存在を検出するために用いられる検出器は、しばしば、被分析物の分子をイオン化（電離）させたうえでそれらを検出するためのイオン化源（ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を備えている。イオン移動度分光計（ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＩＭＳ）においては、イオン化された分子は、静電ゲート（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｇａｔｅ）を介してドリフト領域内に進入することができ、該ドリフト領域内において、前記イオン化された分子が電場に暴露される。この電場は、前記イオン化された分子をドリフト領域の全長に沿って前記ゲートの反対側端部に設けられたコレクタ極板へ引きつけるためのものである。

前記ドリフト領域内をイオンが移動するのに要する時間は、被分析物の性質が有する特性であるところの、イオンの移動度に応じて変動する。

電場非対称性イオン移動度分光計（ｆｉｅｌｄ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＦＡＩＭＳ）または微分移動度分光計（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：DMS）においては、イオンはイオンの移動経路に対して直角な非対称交流電場（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）に暴露されるが、この交流電場は、選択されたイオン種のみをフィルタ除去し、他のイオン種についてはそのまま通過させて検出するように調整されている。

被分析物分子を電離するために様々な技術が一般的に用いられているが、かかる技術には、放射性線源、紫外線その他の線源またはコロナ放電源などが含まれる。米国特許第６，２２５，６２３号には、互いに異なる極性で動作する２つのコロナ放電源で構成されたイオン化源を備えたイオン移動度分光計（ＩＭＳ）が記載されている。

米国特許第６，２２５，６２３号

前記米国特許第６，２２５，６２３号に記載されたイオン移動度分光計（ＩＭＳ）においては、コロナ放電源は、被分析物の分子の流路に沿って前後に配置されている。

本発明の目的は、（従来のものに代わる）代替的な検出器およびイオン源アセンブリを提供することにある。

本発明の一様相によれば、上述したようなイオン源アセンブリにおいて、被分析物の物質が正イオンと負イオンとを含むプラズマに暴露されるように該プラズマを生成するために、正イオンを生成する第１のイオン源と、負イオンを生成する第２のイオン源とが設けられていることを特徴とするイオン源アセンブリが提供される。

第１のイオン源および第２のイオン源は、好ましくは、プラズマ全体としての電荷（全電荷）がほぼ中性となるように設けられている。イオン源には、コロナ放電イオン化源として構成されてもよい。被分析物としての物質は、好ましくは、イオン源よりも下流の箇所において流路に導入される。

イオン源アセンブリは、好ましくは、イオン源よりも上流の箇所において、導入口が流路に開口している清浄乾燥空気源を備えている。

第１のイオン源および第２のイオン源は、好ましくは、流路に沿って等距離となるように、流路に開口している。第１のイオン源および第２のイオン源には、イオンを各イオン源から流路へ推進させる手段が設けられている。

イオンを推進させる手段は、電場を確立する手段、および／または、気体を供給する手段を備えている。この気体には、イオン形成を促進するための、または、形成されたイオンを調整するための化学種が含まれている。

混合領域は、好ましくは、反応部に連通しており、反応部の内部において流速が減速される。反応部の横断面積は、反応部内を通して流速を減速させるために拡大されてもよい。

本発明の他の様相によれば、本発明の前記様相に係るイオン源アセンブリと、このイオン源アセンブリから被分析物のイオンを受け取る検出器とを備えていることを特徴とする検出装置が提供される。

検出器は、好ましくはイオン移動度分光計（例えばＦＡＩＭＳ分光計）のような分光計である。検出器の出力は、アセンブリからイオンの流れを制御するのに用いられてもよい。

本発明に従うＦＡＩＭＳ検出器装置の概要を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る電場非対称性イオン移動度分光（ＦＡＩＭＳ）装置を、図面を参照して説明する。

ＦＡＩＭＳ分光装置は、分析器ユニット１（請求項中における「検出器」に相当）と導入イオン源アセンブリ４（請求項中における「イオン源アセンブリ」に相当）とを備えており、分析器ユニット１の導入口端部２は、導入イオン源アセンブリ４の出口端部３と接続されている。導入イオン源アセンブリ４は、イオン化された被分析物の分子を検出器に供給するように構成されている。

導入イオン源アセンブリ（ｉｎｌｅｔ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）４には、ポンプまたは分子ふるい（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ）により供給される清浄乾燥空気の源４１（請求項中における「乾燥空気源」に相当）に接続された入口開口部４０が設けられている。入口開口部４０は、混合領域４２に一直線状に開口している。

導入イオン源アセンブリ４は、２つのイオン源４３、４４を備えている。イオン源４３、４４は、混合領域４２の両側に相対して設けられ、入口開口４０を介して流入する気体の流路に沿って同じ箇所において開口している。

図中左側の正イオン源４３（請求項中における「第１のイオン源」に相当）は、コロナ放電を生じさせることができる程度に、約３ｋＶの正電圧パルスを適用するように動作するところの、電圧源４７に接続されたデュアル・ポイント（ｄｕａｌ ｐｏｉｎｔ）コロナ放電源４６（請求項中における「コロナ放電イオン化源」に相当）が設けられているチャンバ４５を備えている。コロナ放電源は、シングル・ポイントの直流コロナ放電源のような他のイオン源であってもよい。チャンバ４５は、比較的小さく、混合領域４２へのイオンの容易な移動を可能にするように選択されている。

コロナ放電源４６は、それぞれ典型的には約＋４ｋＶおよび＋５０Ｖとされた２つのグリッド４８、４９（請求項中における「イオンを推進する手段」に相当）との間に位置している。低電圧グリッド４９は、混合領域４２に通じるチャンバ４５の開口部に位置している。

このようにして、コロナ放電源４６によって生成された正イオンを、低電圧グリッド４９を経て混合領域４２内へ推進させることができる程度に、チャンバ４５の全長にわたって電場が確立される。

イオンを混合領域４２内へ推進させるための電場に代えて、またはそれに加えて、気体の流れを用いることも可能である。かかる気体は、所望のイオン種を混合領域中央部に移動させることを促進することができるように設けられることができる。気体の流れは、電場によって生成されたイオンの流れを助長または抑制するために設けられることができる。

同様に、図中右側の負イオン源４４（請求項中における「第２のイオン源」に相当）は、同じ３ｋＶの大きさの負電圧パルスを供給するデュアル・ポイント・コロナ放電源５２が設けられているチャンバ５１を備えている。コロナ放電源５２は、それぞれマイナス４ｋＶおよびマイナス５０Ｖとされた２つのグリッド５３、５４（請求項中における「イオンを推進する手段」に相当）の間に位置している。これにより、コロナ放電源５２によって生成された負イオンを、低電位差グリッド５４を経て混合領域４２へ推進させるに足る電場がチャンバ５１にわたって確立される。

異なる化学種（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｐｅｃｉｅｓ）が、２つのイオン源４３、４４に導入されることができる。

負イオンと正イオンとは、導入イオン源アセンブリ４中を、流路上の同じ箇所において混合領域４２に入る。これにより、正イオンと負イオンとの混合物を含むプラズマが準備される。これに代えて、負イオンと正イオンとは、異なる箇所において混合領域に入ってもよい。

このプラズマの全電荷は中性であるので、ＦＡＩＭＳ分光装置の内部における空間電荷効果（ｓｐａｃｅ−ｃｈａｒｇｅ ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）が最小とされる。しかしながら、正イオンと負イオンとの相対数、そして、したがってプラズマの全電荷は、所望の中性でない状態となるように制御することもできる。かかる制御は、イオン源４３、４４の一方または双方における電場を変更させることで行うことができる。

混合領域４２は、被分析物試料がガス流内のプラズマと一緒に下流に運ばれるところの被分析物部６０に直接通じている。被分析物部６０は、図中では、例えば、膜、孔、毛細管その他を通して、ガスまたは蒸気の形態を有する被分析物が被分析物部に入るのを許可されるインレット６１を備えている。これに代えて、被分析物試料は固体または液体の形態を有してもよく、図示しない開口部を介して被分析物部に置かれてもよい。

被分析物部６０は、イオン反応チャンバ６３（請求項中における「反応部」に相当）と連通しており、イオン反応チャンバ６３は、気体の流れが減少して中性の被分析物分子がプラズマに暴露される滞留時間が増加するように、被分析物部よりも大きな断面積を有している。しかしながら、より大きな断面積とされた部分を提供することは必須ではない。中性の被分析物の気体または蒸気分子とプラズマとの反応により、電荷を帯びた被分析物がイオン反応チャンバ６３内で生成される。電荷を帯びた被分析物は、気体の流れによってまたは静電気的な手段によって、分析器ユニット１へ移送される。

被分析物部６０および、あるいは、それに代えて、イオン反応チャンバ６３は、これら領域を離れたプラズマが中性の電荷平衡を有するように構成されてもよい。これは、空間電荷的な反発力によって、所定の期間、いずれかの極性を有する過剰なイオンを中和化導体面に押し付けることにより実現される。

分析器ユニット１は、イオン移動度分光計のドリフト領域を備えたもの、あるいは、米国特許第５，２２７，６２８号に記載されたような種類の分光計など、どのような種類の従来型のものでもよい。分析器ユニットが正イオンおよび負イオンの双方で動作するのであれば、２つのドリフトチューブまたはドリフト領域が必要となろう。あるいは、図示されているように、分析器ユニットは、電場非対称性イオン移動度分光計（Ｆｉｅｌｄ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＦＡＩＭＳ）または微分移動度分光計（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＤＭＳ）であるフィルタ６５によって提供される。

フィルタ６５は、イオンの流れの方向とほぼ平行に配置されかつフィルタ駆動ユニット６７に接続された、狭い間隔で並んだ２枚のプレート６６として提供されており、フィルタ駆動ユニット６７により、直流電圧上に置かれたこれら２枚のプレートの間において非対称の交流電場が印加される。

これらのプレート６６の間の電場を制御することによって、どのイオンがフィルタを通過でき、どのイオンがフィルタを通過できないかを選択することができる。分析器ユニット１の最遠端部の２枚の検出板６８、６９は、フィルタ６５によって渡されるイオンを回収するとともにプロセッサ７０に信号を供給する。プロセッサ７０は、被分析物物質の性質を示す出力を表示装置７１またはその他の装置に提供する。

プロセッサ７０のレスポンスは、所望の検出特性を達成するためにイオン源からのイオンの流れを変更するために用いられてもよい。

いうまでもなく、本発明に係るＦＡＩＭＳ検出器装置は、コロナ放電源に代えて他のイオン源を用いて構成することができる。

１ 分析器ユニット（検出器）
２ 導入口端部
３ 出口端部
４ 導入イオン源アセンブリ（イオン源アセンブリ）
４０ 入口開口
４１ 乾燥空気源
４２ 混合領域
４３ 正イオン源（第１のイオン源）
４４ 負イオン源４３（第２のイオン源）
４５ チャンバ
４６ コロナ放電源（コロナ放電イオン化源）
４７ 電圧源
４８，４９ グリッド
５１ チャンバ
５２ コロナ放電源（コロナ放電イオン化源）
５３，５４ グリッド
６０ 被分析物部
６１ インレット
６３ イオン反応チャンバ（反応部）
６５ フィルタ
６６ プレート
６７ フィルタ駆動ユニット
６８，６９ 検出板
７０ プロセッサ
７１ 表示装置

Claims (16)

1. コロナ放電イオン化源によって生成された正負イオンが流入する混合領域を有する流路を備えたイオン源アセンブリにおいて、
   前記混合領域が、前記イオン源アセンブリの全長にわたって設けられ、かつ、
   被分析物の物質が正イオンと負イオンとを含むプラズマに暴露されるように該プラズマを生成するために、正イオンを生成する第１のイオン源と、負イオンを生成する第２のイオン源とが設けられていることを特徴とするイオン源アセンブリ。
2. プラズマの全電荷を中性とするように、前記第１のイオン源および第２のイオン源が、設けられていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源アセンブリ。
3. 前記第１のイオン源および前記第２のイオン源として、コロナ放電イオン化源が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン源アセンブリ。
4. 前記被分析物の物質が、前記第１のイオン源および前記第２のイオン源の下流の箇所において、前記流路に導入されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のイオン源アセンブリ。
5. 清浄乾燥空気を供給する乾燥空気源４１の導入口が、前記第１のイオン源および前記第２のイオン源の上流の箇所において、前記流路に開口していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のイオン源アセンブリ。
6. 前記第１のイオン源および前記第２のイオン源が、前記流路に沿って等距離とされるように、該流路に連通していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のイオン源アセンブリ。
7. 前記第１のイオン源および第２のイオン源には、それぞれ、該第１のイオン源および該第２のイオン源から前記流路に向かってイオンを推進する手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のイオン源アセンブリ。
8. 前記イオンを推進する手段が、電場を確立する手段で構成されていることを特徴とする請求項７に記載のイオン源アセンブリ。
9. 前記イオンを推進する手段が、気体を供給する手段を有していることを特徴とする請求項７または８に記載のイオン源アセンブリ。
10. 供給された前記気体には、イオン形成を促進するためのまたは生成されたイオンを調整するための化学種が含まれていることを特徴とする請求項９に記載のイオン源アセンブリ。
11. 前記混合領域が反応部に連通しているとともに、イオンの流速が前記反応部の内部にわたって減速されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のイオン源アセンブリ。
12. 前記反応部の内部にわたって前記流速を減速させるように、前記反応部の断面積が拡大されていることを特徴とする請求項１１に記載のイオン源アセンブリ。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のイオン源アセンブリと、前記イオン源アセンブリから被分析物のイオンを受け取る検出器とを備えていることを特徴とする検出装置。
14. 前記検出器が、分光計で構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の検出装置。
15. 前記分光計が、イオン移動度分光計で構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の検出装置。
16. 前記検出器が、電場非対称性イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）で構成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の検出装置。

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