JP6488026B2 - コロナ放電アセンブリ、イオンマイグレーション分光計及びコロナ放電方法 - Google Patents

Description

本発明は安全検出技術分野に関し、特に、コロナ放電アセンブリ、イオンマイグレーション分光計及びコロナ放電方法に関する。

現在、イオンマイグレーション製品は爆発物及び麻薬を迅速に検出する機器として、空港、地下鉄、会場の安全検査領域に広く応用される。従来のイオンマイグレーション製品がほとんど放射源を用いて反応イオンを発生させるが、放射源は、危険性が高く、厳格的に制限され、飛行機内部などの場所に対する安全検査に用いられない。したがって、２０世紀９０年代から、非放射源の製品化研究を始める会社は複数ある。現在の市場では、コロナ放電源、光イオン化源、電気噴霧源、グロー放電源などの数種類の非放射源技術を主として、コロナ放電源及び光イオン化源は各会社が用いる最も主要的なイオン化源の形態である。

コロナ放電源は発生した反応イオンの種類が非常に豊富であり、全てのイオン化源において、それが発生した反応イオンは放射源に最も近いため、放射源を代える最適な選択である。コロナ放電源は、減損が速く、寿命が短いという欠点を有し、頻繁に交換する必要があるため、機器設計の困難度が増加した。

従来技術において、対向針を有する正負パルスコロナ放電源が公開されている。その利点は、正及び負のイオンを同時に発生できるとともに、戸開信号とパルスコロナとの時間間隔を制御することで、サンプル分子と反応イオンとの間の反応進捗を制御する目的を達成する。パルスを用いて針の寿命を効果的に延長するが、針先の減損が依然として不可避的なことであり、針の寿命が比較的に短いという欠点を有し、定期的に交換する必要がある。

別種の直流切り替えコロナ源は、高電圧に切り替えると、コロナ金属ワイヤが発生した反応イオンはドーパント分子を帯電させることができ、低電圧に切り替えると、ドーパント分子を帯電させることができず、直流切り替えコロナ源の使用目的はドーパント状態を制御可能にすることである。光イオン化は原理が簡単で、容易に実現されるが、寿命が短いという欠点を有することは、コロナ電圧が高いほど、針先の減損は速くなり、背景ガスが活発となり、針の汚染はひどくなるためである。電圧を切り替える方法を用い（動作時に、コロナ高電圧が起動され、コロナを発生させ、非動作時に、コロナ高電圧の電位が低く、コロナ開始できず、コロナを発生できない）、高電圧の使用頻度を減少したが、そのコロナ源の寿命は依然として短い。

本発明が解決しようとする技術課題は、コロナ源の寿命を改善することである。

本発明は、コロナ放電アセンブリ、イオンマイグレーション分光計及びコロナ放電方法を提供する。

１つの態様は、コロナ放電ユニットを少なくとも１つ含み、前記コロナ放電ユニットは、平行に設けられた一対のコロナ金属ワイヤを含み、前記平行に設けられたコロナ金属ワイヤに、振幅が同じで極性が逆であるパルスを印加するコロナ放電アセンブリを提供する。

前記コロナ金属ワイヤは直径が１０μｍ〜５０μｍであってもよい。

前記コロナ金属ワイヤはプラチナ又はパラジウムによって製造されてもよい。

前記パルスの強度は１ｋＶ〜５ｋＶであってもよい。

前記パルスの印加時間は１μｓ未満であってもよい。

前記コロナ放電ユニットは複数であり、複数の前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは、印加されるパルスの極性にしたがって交互に設けられてもよい。

前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは直線的に並んでいてもよい。

前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは折り線アレイ方式で並んでいてもよい。

前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは環状アレイ方式で並んでいてもよい。

本発明一態様によればは、イオン化領域、イオンゲート、イオンマイグレーション領域、及びファラデープレートがこの順に設けられ、前記イオン化領域には、上記のコロナ放電アセンブリが固定されている、イオンマイグレーション分光計を提供する。

前記イオン化領域の電位と前記コロナ金属ワイヤの直流オフセットとは等しくてもよい。

前記コロナ金属ワイヤの方向はイオンマイグレーションチューブの軸方向に垂直であってもよい。

本発明の他の態様によれば、上記のコロナ放電アセンブリに適用され、前記コロナ金属ワイヤに振幅が同じで極性が逆であるパルスを印加するステップを含むコロナ放電方法をさらに提供する。

前記コロナ放電方法は、コロナ金属ワイヤに通電して酸化層を除去するステップをさらに含んでもよい。

本発明によるコロナ放電アセンブリ、イオンマイグレーション分光計及びコロナ放電方法は、針又は先端コロナよりも多くの反応イオンを発生させることができ、イオンマイグレーションの感度の向上に有利であるとともに、コロナ源の使用寿命を効果的に改善することができ、寿命を３〜１０年まで延ばすことができる。

図１は本発明の１実施例におけるコロナ放電ユニットの構造模式図である。 図２は本発明の１実施例におけるコロナ金属ワイヤを水平に設けた複数のコロナ放電ユニットの断面図である。 図３は本発明の別の１実施例におけるコロナ金属ワイヤを２層設けた複数のコロナ放電ユニットの断面図である。 図４は本発明のさらなる１実施例におけるコロナ金属ワイヤを環状に設けた複数のコロナ放電ユニットの断面図である。 図５は本発明の１実施例におけるイオンマイグレーション分光計の構造模式図である。

以下、図面及び実施例を参照しながら、本発明を実施するための形態をさらに詳細に説明する。以下の実施例は本発明を説明ためのものであり、本発明の範囲を限定するためのものではない。

図１に示すように、本発明は、コロナ源に応用され、コロナ放電ユニット１を少なくとも１つ含むコロナ放電アセンブリを提供する。コロナ放電ユニット１は、平行に設けられた一対のコロナ金属ワイヤ１１、１２を含み、平行に設けられたコロナ金属ワイヤ１１、１２には、振幅が同じで極性が逆であるパルスが印加される。以下、本発明によるコロナ放電アセンブリについて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明において、それぞれのコロナ放電ユニット１は、平行に設けられた一対のコロナ金属ワイヤ１１、１２を含む。コロナ金属ワイヤ１１、１２はプラチナやパラジウムなどを用いることが好ましい。当然に理解できるように、本発明はこれらに限定されるものではなく、他の化学的に高不活性、高延伸性、高強度を有する高導電率金属を用いても本発明を実現できる。コロナ金属ワイヤ１１、１２の直径として好ましくは、１０μｍ〜５０μｍである。コロナ金属ワイヤが細すぎると、加工の困難度がさらに増え、コロナ金属ワイヤの加工コストは高くなる。一方、コロナ金属ワイヤが太すぎると、必要とするパルス振幅が高すぎるため、商業パルス源に対する要求が高すぎる。

本発明によるコロナ放電アセンブリの動作過程は下記のとおりである。コロナ放電ユニットの中のコロナ金属ワイヤ１１、１２の非動作時、コロナ金属ワイヤ１１とコロナ金属ワイヤ１２には電圧が印加されず、かつコロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２は零電界領域にあり、コロナ金属ワイヤ１１とコロナ金属ワイヤ１２とはいずれも同電位である。コロナ放電ユニットの中のコロナ金属ワイヤ１１、１２の動作時に、コロナ放電ユニットの中のコロナ金属ワイヤ１１、１２にそれぞれ振幅が同じで極性が逆であるパルスを印加する。例えばコロナ金属ワイヤ１１には極性が正（＋）であるパルスを印加しながら、コロナ金属ワイヤ１２には極性が負（−）であるパルスを印加する。コロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２に印加されるパルス振幅は好ましくは１ｋＶ〜５ｋＶである。この時、コロナ金属ワイヤ１１には正のパルスコロナが形成され、コロナ金属ワイヤ１２には負のパルスコロナが形成される。コロナ金属ワイヤ１１には正のイオンが形成され、コロナ金属ワイヤ１２には負のイオンが形成される。コロナ金属ワイヤ１１に形成される正のイオンは、コロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２に印加されたパルスにより発生された強電界の作用によって、コロナ金属ワイヤ１２の方向へ移動する。コロナ金属ワイヤ１２に形成される負のイオンは、コロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２に印加されたパルスにより発生された強電界の作用によって、コロナ金属ワイヤ１１の方向へ移動する。コロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２にパルスが印加される時間は好ましくは１ｍｓ未満である。コロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２にパルスを印加する有効放電時間が非常に短いため、コロナが発生する時、コロナ金属ワイヤ１１に形成される正のイオンはコロナ金属ワイヤ１２に到着できず、コロナ金属ワイヤ１２に形成される負のイオンはコロナ金属ワイヤ１１に到着できない。パルス終了後、コロナ金属ワイヤ１１に形成された正のイオン及びコロナ金属ワイヤ１２に形成された負のイオンは電界のない空間で拡散して空気中の分子（Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２）と反応し、大量の反応イオン（Ｏ^２−，（Ｈ_２Ｏ）Ｈ^＋，ＮＯ^＋及びその水和物）を生成し、サンプル分子Ｍはこれら反応イオンとイオン化領域で充分な電荷交換を行った後、生成されたサンプルイオン（Ｍ（Ｈ_２Ｏ）_ｎＯ^２−、Ｍ（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋ 等，ｎ＝１，２，３…）はマイグレーション領域に入り、マイグレーション電界の作用によってファラデープレートに到着し、移行時間の相違に基づいて物質を鑑別する目的を達成する。

本発明において、コロナ放電アセンブリはコロナ金属ワイヤ１１、１２を用いてコロナ源の寿命を効果的に延ばすことができるが、コロナ金属ワイヤ１１、１２は使用過程において、相応的に減損も生じる。図２〜図４に示すように、コロナ源の寿命をできるだけ延ばすために、コロナ源におけるコロナ放電ユニット１は複数であり、複数のコロナ放電ユニット１のコロナ金属ワイヤは、印加されるパルスの極性に従って交互に設けられる。図２〜図４に示すように、コロナ放電アセンブリは複数のコロナ放電ユニット１を含み、複数のコロナ放電ユニット１の複数のコロナ金属ワイヤ１１、１２は並列し、正及び負のコロナ金属ワイヤ１１、１２は千鳥状に配列され、図において、＋は正のコロナ金属ワイヤを表し、−は負のコロナ金属ワイヤを表す。図２〜図４に示すように、本発明において、コロナ源の中の複数のコロナ放電ユニットは交互に使用されてもよく、同時に使用されてもよい。以下、複数のコロナ放電ユニットの使用方式についてそれぞれ詳細に説明する。

コロナ源の中の複数のコロナ放電ユニット１０１、１０２、１０３は交互に使用される場合、一回に一部だけは使用される（そのうちの１つ又は２つのコロナ放電ユニットが使用される）。具体的には、図２〜図４に示すように、動作時、第１のコロナ放電ユニット１０１のコロナ金属ワイヤ１１（−１）及びコロナ金属ワイヤ１２（＋１）のみにパルスを印加し、他のコロナ放電ユニット１０２、１０３の中のコロナ金属ワイヤはいずれも初期の同電位にある。所定時間（数ヶ月）の動作の後、コロナ金属ワイヤ「−１」、「＋１」は正常にコロナ発生ができなくなると、回路によってコロナ放電ユニット１０２に切り替えて動作し、第２のコロナ放電ユニット１０２の中のコロナ金属ワイヤ１１（−２）及びコロナ金属ワイヤ１２（＋２）のみにパルスを印加する。このようにしてまた第３のコロナ放電ユニット１０３に切り替える。こうすることでコロナ源の使用寿命を効果的に延ばすことができる。

コロナ源の中の複数のコロナ放電ユニット１０１、１０２、１０３が同時に使用される場合、図２〜図４に示す複数のコロナ放電ユニット１０１、１０２、１０３の中の全ての正のコロナ金属ワイヤ１１は電気的に接続し、全ての負のコロナ金属ワイヤ１２は電気的に接続し、間隔の最も近い一対又は複数対のコロナ金属ワイヤの間のみにコロナを発生させ、他のコロナ金属ワイヤはコロナを発生させない。複数のコロナ放電ユニットを同時に使用する利点は以下のとおりである。（１）そのうちの一対又は一部のコロナ金属ワイヤの非動作時、他のコロナ金属ワイヤはコロナを発生し始め、コロナ源の使用寿命が効果的に延びる。（２）複数のコロナ金属ワイヤ構造を有するコロナはより多くのイオンを発生させ、反応イオンの数量が効果的に増える。

図２に示すように、本発明の１実施例において、コロナ源の中の複数のコロナ放電ユニット１０１、１０２、１０３の複数のコロナ金属ワイヤ１１、１２は直線的に並んでいる。コロナ金属ワイヤ１１、１２は＋、−、＋、−、＋、−の方式で一列に並んでいる。隣接するコロナ金属ワイヤ１１、１２の間にコロナを発生させ、隣接するコロナ放電ユニットの間にコロナを交互に発生させる。

図３に示すように、本発明の別の１実施例において、コロナ源の中の複数のコロナ放電ユニット１０１、１０２、１０３の複数のコロナ金属ワイヤは折り線アレイ方式で並んでいる。このように、複数のコロナ金属ワイヤは波形に設けられ、２列のコロナ金属ワイヤ１１、１２は正及び負のコロナ源を構成し、上列は正のコロナ金属ワイヤ１１であり、下列は負のコロナ金属ワイヤ１２である。例えば、全てのコロナ金属ワイヤ１１及びコロナ金属ワイヤ１２の動作時に、隣接するコロナ金属ワイヤ１１、１２の間（「＋１」と「−１」、「−２」）にコロナを発生させる。上下列のコロナ金属ワイヤ１１、１２の間にコロナを交互に発生させ、隣接するコロナ放電ユニットの間にコロナを交互に発生させる。

図４に示すように、本発明のさらなる１実施例において、コロナ源の中の複数のコロナ放電ユニット１０１、１０２、１０３のコロナ金属ワイヤ１１、１２の横断面は環状アレイ方式で並んでいる。全てのコロナ金属ワイヤ１１、１２は好ましくは全体で１つの円形を形成し、「＋１」に正のパルスを印加し、「−１」又は（及び）「−６」に負のパルスを印加すると、正及び負のコロナを発生できる。環状アレイ方式に並んで設けられたコロナ金属ワイヤ１１、１２の間にコロナを交互に発生させ、隣接するコロナ放電ユニットの間にコロナを交互に発生させる。

理解できるように、本発明の図２〜図４に示すコロナ源において、複数のコロナ放電ユニットは交互に使用されてもよく、同時に使用されてもよい。具体的な使用過程は以上の実施例を参照し、ここでは繰り返し説明しない。

本発明によるコロナ放電アセンブリの優位性をさらに表すために、本発明は上記コロナ放電アセンブリを適用するイオン分光計をさらに提供する。図５に示すように、該イオン分光計は、イオン化領域１０、イオンゲート２、マイグレーション領域３及びファラデープレート５がこの順に設けられ、イオン化領域には上記のコロナ放電アセンブリ１が固定されている。以下、本発明によるイオン分光計について詳細に説明する。

図５に示すように、イオン化領域の中のコロナ源は１つのコロナ放電アセンブリ１を含み、コロナ放電アセンブリ１の中のコロナ金属ワイヤはイオン化領域１０に固定され、コロナ金属ワイヤの方向は好ましくはイオンマイグレーション方向に垂直である。イオン化領域１０の電位とコロナ金属ワイヤの直流オフセットとは等しい。本発明において、イオンゲート３はＢＮゲートであってもメッシュ状ゲートであってもよい（理解できるように、本発明はこれに限定されるものではなく、従来技術における任意形態のゲートはいずれも本発明を実現できる）。マイグレーション領域３は一連の電極片３１によって構成され、マイグレーション領域３とイオンを収集するファラデープレート５との間には、抑制ゲート４はさらに設けられている。

図５に示すように、本発明によるコロナ放電アセンブリを有するイオン分光計の動作過程は以下のように説明する。イオン化領域１０の中の２つのコロナ金属ワイヤに振幅が同じで極性が逆であるパルスをそれぞれ印加し、２つのコロナ金属ワイヤの表面に大量の正及び負のイオンが発生する。これら正及び負のイオンは対向するコロナ金属ワイヤに移動するが、パルスが短いため、正及び負のイオンの到着する前にパルスが終わってしまい、大量の正及び負のイオンはイオン化領域１０の中で拡散してエア分子と反応して大量の反応イオンを生成する。サンプル分子と反応イオンとはイオン化領域１０において充分な電荷交換を行い、サンプルイオンを生成する。イオンゲート３が開けると、サンプルイオンはマイグレーション領域３に入り、マイグレーション電界の作用で抑制ゲート４を通過してファラデープレート５に到着する。コロナ金属ワイヤは、針又は先端コロナよりも多くの反応イオンを発生でき、イオンマイグレーションの感度の向上に有利である。金属ワイヤの表面が不純物、又はサンプルの汚染によって酸化層に覆われる場合、コロナ金属ワイヤに通電させ、酸化層を除去し、コロナ金属ワイヤの使用寿命を改善することができる。

本発明によるコロナ放電アセンブリの優位性をさらに表すために、本発明は、上記コロナ放電アセンブリを適用するコロナ放電方法をさらに提供する。該方法は、コロナ金属ワイヤに振幅が同じで極性が逆であるパルスを印加するステップを含む。コロナ金属ワイヤの表面が不純物、又はサンプル（主に各種有機物）の汚染によって酸化層に覆われる場合、コロナ金属ワイヤに通電させ、酸化層を除去することができ、電極ワイヤに通電して発熱させることでこれらの物質気化又は更なる酸化を促進することによってこれらの物質を除去し、コロナ金属ワイヤの使用寿命を改善することができる。

以上のとおり、提供されるコロナ放電アセンブリ、イオンマイグレーション分光計及びコロナ放電方法は、針又は先端コロナよりも多くの反応イオンを発生でき、イオンマイグレーションの感度の向上に有利であるとともに、コロナ源の使用寿命を効果的に向上させることができ、寿命を３〜１０年まで延ばすことができる。

以上の実施形態は本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を制限するためのものではなく、当業者は、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、各種の変化及び変形を行えるため、全ての同等技術案も本発明の範疇に属し、本発明の範囲は、請求項によって限定されるべきである。

Claims (13)

1. 複数のコロナ放電ユニットを含み、
   前記コロナ放電ユニットの各々は、平行に設けられた一対のコロナ金属ワイヤを含み、
   前記平行に設けられたコロナ金属ワイヤに、振幅が同じで極性が逆であるパルスを印加し、
   複数の前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは、印加されるパルスの極性にしたがって交互に設けられる、
   ことを特徴とするコロナ放電アセンブリ。
2. 前記コロナ金属ワイヤは直径が１０μｍ〜５０μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のコロナ放電アセンブリ。
3. 前記コロナ金属ワイヤはプラチナ又はパラジウムによって製造される、ことを特徴とする請求項１または２に記載のコロナ放電アセンブリ。
4. 前記パルスの強度は１ｋＶ〜５ｋＶである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコロナ放電アセンブリ。
5. 前記パルスの印加時間は１μｓ未満である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコロナ放電アセンブリ。
6. 前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは直線的に並んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載のコロナ放電アセンブリ。
7. 前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは折り線アレイ方式で並んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載のコロナ放電アセンブリ。
8. 前記コロナ放電ユニットのコロナ金属ワイヤは環状アレイ方式で並んでいる、ことを特徴とする請求項１に記載のコロナ放電アセンブリ。
9. イオン化領域、イオンゲート、イオンマイグレーション領域、及びファラデープレートがこの順に設けられ、
   前記イオン化領域には、請求項１〜８のいずれか１項に記載のコロナ放電アセンブリが固定されている、ことを特徴とするイオンマイグレーション分光計。
10. 前記イオン化領域の電位と前記コロナ金属ワイヤの直流オフセットとは等しい、ことを特徴とする請求項９に記載のイオンマイグレーション分光計。
11. 前記コロナ金属ワイヤの方向はイオンマイグレーションチューブの軸方向に垂直である、ことを特徴とする請求項９または１０に記載のイオンマイグレーション分光計。
12. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のコロナ放電アセンブリに適用され、
    前記コロナ金属ワイヤに振幅が同じで極性が逆であるパルスを印加するステップを含む、ことを特徴とするコロナ放電方法。
13. コロナ金属ワイヤに通電して酸化層を除去するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１２に記載のコロナ放電方法。

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