JP6605510B2 - イオン移動度分光計用シャッタ - Google Patents

Description

本発明は、
第１の平面内に互いに離間して配置された複数の第１の電極要素を有する第１の電極表面と、
前記第１の電極表面に平行に且つ前記第１の電極表面から離間して配置される第２の電極表面であって、第２の平面内に互いに離間して配置された複数の第２の電極要素を有する第２の電極表面と、
前記第１の電極要素と前記第２の電極要素との間に電位差を印加する手段と
を備えるイオン移動度分光計用シャッタに関する。

かかるシャッタはTyndall-Powellシャッタとして知られている。

イオン移動度分光法では、分析用の分子はイオン化された後、分光計の全体の電位差（general potential difference）によってシャッタまで搬送される。第１の電極要素と第２の電極要素との間に全体の電位差とは反対の電位差を印加することにより、イオンがシャッタを通過しないようにすることができる。この第１及び第２の電極要素間の電位差を反転させると、イオンがシャッタを通過してコレクタプレートの方向に進行することが可能となる。

第１及び第２の電極要素間の電位差を暫く反転させておくと、イオンのショートバーストがいわゆるドリフト空間を通ってコレクタプレートの方向に放出され得る。

このシャッタとコレクタプレートとの間のドリフト空間上に電界又はドリフト電位を印加すると、イオンはコレクタプレートの方向に変位する。ドリフト電位内の移動速度はイオン移動度と呼ばれるが、イオン移動度はイオンの種類によって異なるため、ある種類のイオンスウォーム（ion swarm）は他の種類のイオンスウォームよりも早くコレクタプレートに到達する。

シャッタからコレクタプレートまでのイオンスウォームの移動時間はドリフト時間とも呼ばれるが、このドリフト時間に基づいて関与イオンの種類を決定し、したがって関与分子の種類を決定することが可能となる。

しかしながら、既知のシャッタには、シャッタを暫く開放した後再び閉鎖したときに、比較的細長いイオンスウォームがコレクタプレートの方向に放出されるという欠点がある。異なるイオンのドリフト時間を測定するには、異なるイオンからなるイオンスウォームがそれぞれ固有のイオン移動度を有する結果、イオンスウォーム同士がドリフト空間の長さにわたって完全に引き離されるようにする必要がある。シャッタを通って放出されるイオンスウォームは細長いため、ドリフト空間には相当の長さが必要となる。この長さは通常少なくとも約４〜２０ｃｍである。

このようにドリフト空間を長くとることには、空間全体で均一な電位差が得られるようにするために、当該空間を収容するハウジングを非常に特殊な設計要件に適合させなければならなくなる欠点もある。

また、既知のシャッタには放出されるイオンスウォームが不規則な形状になる欠点もある。不規則な形状はアカエイ（stingray）にも似た形状となり得る。したがって、コレクタプレート上の特定のイオンスウォームの検出曲線も不規則な形状となり、そのため異なるイオンスウォーム間のドリフト時間差の識別がより困難となる。

上述の欠点はいずれも既知のイオン移動度分光計のサイズ縮小を不可能にしている。

そこで、本発明の目的は上述の欠点を低減又は解消することである。

第３の平面内に互いに離間して配置された複数の第３の電極要素を有する第３の電極表面をさらに備え、該第３の電極表面は、前記第１の電極表面と平行に且つ前記第１の電極表面から離間して配置され、かつ、前記第２の電極表面に対して前記第１の電極表面の反対側に配置されることを特徴とし、請求項プリアンブル部に記載のシャッタを備６える本発明によって、この目的は達成される。

本シャッタをイオン移動度分光計に適用すると、イオン化された分子のイオンはまず第３の電極表面に到達することになる。イオンが第３の電極表面を通過すると、それらのイオンは第１及び第２の電極表面に到達する。第１及び第２の電極表面は、少なくともシャッタの閉位置ではTyndall-Powellシャッタの場合と同様に作用する。

第１の電極表面と第２の電極表面との間の電位が反転されると、通常のTyndall-Powellシャッタの場合と同様に第３の電極表面の電位は同じに保たれ、第１の電極表面と第３の電極表面との間のイオンは第３の電極表面に引き寄せられ、第１の電極表面と第２の電極表面との間のイオンはドリフト空間の方向に推進される。なおも第３の電極表面の上流に位置するイオンは、第１の電極表面と第２の電極表面との間の電位の反転によりそれ以上移動することができなくなる。

その結果、シャッタが長い時間開放されても、ドリフト空間に進むことができるのは第１の電極表面と第２の電極表面との間に位置するイオンだけとなる。これは、追加的なイオンの供給が第３の電極表面で阻止されるためである。

第３の電極表面を配置することにより、シャッタの開放直後にイオンが供給されることがなくなるので、通過が許可されたイオンスウォームの長さを短く保つことができる。

このようにイオンスウォームの長さを短く保つことができるので、異なるイオンスウォームがより迅速に引き離されるようになり、したがって、異なるイオンスウォームの検出精度を維持しながらコレクタプレートをシャッタにより近付けることが可能となる。

また、本発明によるシャッタを経て放出されるイオンスウォームの形状はより均一となり、特にコレクタ表面に対してより直線的且つ平行になり、それにより、ある種類のイオンスウォームを検出する時間も短縮されることが明らかとなった。その結果、スウォームの識別をより簡単に行うことが可能となる。

本発明によるシャッタの一実施形態において、第１の電極要素、第２の電極要素、及び／又は第３の電極要素は細長い電極要素である。これらは例えばパラレルワイヤ又は線状導電層であってもよい。

本発明によるシャッタの別の実施形態において、第１の電極要素、第２の電極要素、及び／又は第３の電極要素は、それぞれの前記平面内で相互接続され、格子状電極を形成する。

線状又は格子状電極を使用して均一な電界を形成することにより、本発明に係るシャッタの開閉時に長さの短いイオンスウォームを得ることが可能となる。

本発明によるシャッタの好ましい一実施形態は、第２の電極要素と第３の電極要素の電位を等しく保つ手段を備える。

第２の電極要素と第３の電極要素の電位を等しく保つことにより、第３の電極表面の上流の電界及びドリフト空間の電界に対する、本発明によるシャッタの開閉時の影響を最小限に抑えることが可能となる。このことはシャッタの開閉時に第１の電極表面の電位が変化しても保証される。

本発明によるシャッタのまた別の実施形態において、第１の電極要素間のピッチ間隔は、第２の電極要素間のピッチ間隔と等しい。

ピッチ間隔が同じに保たれるので、イオンの進行が電極によって妨げられることが少なくなり、イオンスウォームの形状均一化をより容易に実現することができる。

ピッチ間隔は好ましくは１ｍｍ未満、好ましくは４００μｍであり、電極間の距離は５００μｍ未満、好ましくは２００μｍである。

本発明によるシャッタの好ましい一実施形態において、第３の電極要素間のピッチ間隔は、第１の電極要素間のピッチ間隔の１／３〜１／１０である。

第１の電極要素間のピッチ間隔を２００μｍとすると、第３の電極要素間のピッチ間隔は６６μｍ〜２０μｍとなる。

本発明によるシャッタの他の実施形態は、
多数の開口部を備える第１の板状キャリアと、
前記板状キャリアの第１の側に配置され、前記第１の電極要素を形成する導電層と、
前記第１の側とは反対の第２の側に配置され、前記第２の電極要素を形成する導電層と、
多数の開口部を備え、前記第３の電極要素を形成する導電層が両面に設けられた第２の板状キャリアと、
前記第１の板状キャリアと前記第２の板状キャリアとの間に配置されるスペーサと
をさらに備える。

電極を導電層として板状キャリア上、例えばガラス層上に配置することにより高い寸法精度を容易に得ることができる。このことは均一な電場に寄与し、したがって均一なイオンスウォームの形成に寄与する。

また、本実施形態によれば本発明のシャッタを容易に製造することができる。開口部及び導電層を両側に配置した板状キャリアの製造は実証された技術である。また、例えば板状材料からなるスペーサを併用すれば、上部に電極表面を有する板状キャリアを、正しい間隔で互いに平行に容易に配置することができる。

本発明はさらにイオン移動度分光計に関するものであり、該イオン移動度分光計は、
本発明によるシャッタと、
前記第２の電極表面に平行に且つ前記第２の電極表面から離間して配置され、イオンスウォームの到達を検出するコレクタプレートと
を備える。

前記シャッタに前記各電極表面用の板状キャリアが形成された、本発明によるイオン移動度分光計の一実施形態は、前記シャッタと前記コレクタプレートとの間に配置される第２のスペーサをさらに備える。

イオン移動度分光計のかかる一実施形態は、簡便且つコンパクトな製造が可能である。本発明によれば、多様な物質を高い精度で検出することができるコンパクトな装置を作成することが可能となる。本発明によるイオン移動度分光計の一応用例は、航空機の乗客の手荷物に含まれる不正物質、特に爆発物の検出である。

本発明の上記及び他の特徴について添付図面を参照しながら以下詳述する。

従来技術のシャッタの概略図である。 従来技術のシャッタの概略図である。 本発明によるシャッタの一実施形態の概略図である。 本発明によるシャッタの一実施形態の概略図である。 図２のシャッタの開放後、ある期間にわたるイオンスウォームを示す概略図である。 本発明によるイオン移動度分光計の一実施形態の分解斜視図である。 図４の実施形態の電気回路図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、上述のTyndall-Powellの原理に従って動作する従来技術のシャッタを概略的に示す。この従来技術のシャッタ１は、互いに離間して配置された複数の細長い第１の電極要素３を有する第１の電極表面２を有する。第１の電極表面２から離間して第２の電極表面４が配置される。この第２の電極表面４も同様に互いに離間して配置された複数の細長い第２の電極要素５を有する。

図１Ａではシャッタ１が閉位置にあり、第１の電極要素３と第２の電極要素５との間にイオンの供給方向Ｉと反対方向の電位差が印加される。

図１Ｂでは、第１の電極要素３と第２の電極要素５との間の電位差が反転され、これによって電位差の方向が方向Ｉと揃うため、イオンがシャッタ１を通過することが可能となる。既述のとおり、シャッタ１が開放され再び閉鎖された直後に、不規則なイオンスウォームが形成される。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明によるシャッタ１０の一実施形態の概略図である。シャッタ１０は、互いに平行に配置された第１の電極表面１１、第２の電極表面１２、及び第３の電極表面１３を有する。

第３の電極表面１３の電極要素１４は、第１の電極１５及び第２の電極１６よりもピッチ間隔が小さいことが好ましい。

図２Ａではシャッタ１０が閉位置にあり、第１の電極表面１１と第２の電極表面１２との間の電位差の方向はイオンの供給方向Ｉと逆である。

図２Ｂではシャッタが開位置に移動され、第１の電極表面１１と第２の電極表面１２との間の電位差が反転される。一方、本例では第３の電極表面１３の電位は一定であるため、第１の電極表面１１と第３の電極表面１３との間の電位差の方向は供給方向Ｉと逆になっている。

したがって、シャッタ１０が開位置にあっても、イオンは供給方向Ｉからシャッタ１０を自由に通過することはできない。引き続き前進可能なイオンは、第１の電極表面１１と第２の電極表面１２との間に存在していたイオンの一部のみである。

図３は、シャッタ１０の開放後、ある期間にわたるイオンスウォームを示す概略図である。

０μｓで、第１の電極表面１１と第２の表面１２との間の電位差が反転される。第１の電極表面１１と第３の電極表面１３との間の電位差の方向はイオンの供給方向Ｉとは逆になるので、イオンスウォームＺの大部分は第３の電極表面１３の方に後退する（１０μｓ及び２０μｓ参照）。

イオンスウォームＺの小部分Ｚｓのみが第２の電極表面１２によって方向Ｉに向かって跳ね飛ばされ、進行を続けることができる。

こうして形成されるイオンスウォームＺｓの形状は均一であり、ほぼ線形となる。さらに、従来技術に比べてＩ方向の長さは大幅に制限される。

シャッタ１０は、そうすることが望ましければ基本的に開放状態に維持してもよい。図３の４０μｓで、第１の電極表面１１と第２の電極表面１２との間の電位差が再び反転されると、シャッタ１０は０μｓの状態に戻る。

図４は、本発明によるイオン移動度分光計の一実施形態２０の分解斜視図である。

イオン移動度分光計は、第１の電極表面１１、第２の電極表面１２、及び第３の電極表面１３を有する本発明によるシャッタを備える。

第１及び第２の電極表面１１、１２は、開口部２１を備える板状キャリア上の導電層として形成される。第３の電極表面１３も、開口２２を有する板状キャリア上に設けられる。

開口部２１を有する第１の板状キャリアと開口部２２を有する第２板状キャリアとの間にはスペーサ２３が設けられ、スペーサ２３は、第１の電極表面１１に電位を提供する接続部２４も備えることができる。

開口２２を有する板状キャリア上には、第３の電極表面１３に電位を提供するための金属電極２５がさらに設けられる。

第２の電極表面１２の下には、ドリフト空間を形成する第２のスペーサ２６が設けられる。このスペーサ２６の下には、コレクタグリッドとも呼ばれる開口部２９を有する別の板状キャリア２７が設けられ、その下に設けられるコレクタ２８は、イオンスウォームの到達を検出することができる。

図５は、図示の実施形態２０の電気回路図である。この電気回路図は、イオン移動度分光計２０において適切な電位降下が得られるように、各種電極表面１１、１２、１３とコレクタグリッド２７とが互いに電気的に接続されていることを示す。

コレクタ２８は増幅器３０に接続され、イオンスウォームの到達が検出できるようになっている。

図５にはイオン供給方向Ｉの長さｚに沿った電位変動Ｖが示されている。実線はシャッタ１１、１２、１３の閉位置の電位変動Ｖ、破線はシャッタ１１、１２、１３の開位置の電位変動を示す。

破線のピーク３１は、３００Ｖ、より好ましくは６００Ｖの振幅で、１０μｓ、より好ましくは２０μｓの電圧パルスに対応することが好ましい。

Claims (9)

1. 第１の平面内に互いに離間して配置された複数の第１の電極要素を有する第１の電極表面と、
   前記第１の電極表面に平行に且つ前記第１の電極表面から離間して配置される第２の電極表面であって、第２の平面内に互いに離間して配置された複数の第２の電極要素を有する第２の電極表面と、
   第３の平面内に互いに離間して配置された複数の第３の電極要素を有する第３の電極表面であって、前記第１の電極表面と平行に且つ前記第１の電極表面から離間して配置され、かつ、前記第１の電極表面の、前記第２の電極表面とは反対側に配置された第３の電極表面と、
   シャッタを開閉するために、３つの前記電極表面の間の電位差を設定するように構成された回路と、
   を備えるイオン移動度分光計用シャッタであり、
   前記回路は、前記第１の電極表面の電位を、前記第２の電極表面及び前記第３の電極表面の電位よりも低く設定して、前記シャッタを閉じるように構成され、前記第１の電極表面の前記電位を、前記第２の電極表面及び前記第３の電極表面の前記電位よりも高く設定して、イオンが一時的に前記シャッタを通過できるように構成されることを特徴とするシャッタ。
2. 前記回路は、前記シャッタが開いている場合及び前記シャッタが閉じている場合に、前記第２の電極表面及び前記第３の電極表面の前記電位を互いに等しく保つように動作する請求項１に記載のシャッタ。
3. 前記第１の電極要素、第２の電極要素、及び／又は第３の電極要素が細長いことを特徴とする請求項１又は２に記載のシャッタ。
4. 前記第１の電極要素、第２の電極要素、及び／又は第３の電極要素は、それぞれが配置された前記平面内で相互接続され、格子状電極を形成することを特徴とする請求項３に記載のシャッタ。
5. 前記第１の電極要素間のピッチ間隔は、前記第２の電極要素間のピッチ間隔と等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシャッタ。
6. 前記第３の電極要素間のピッチ間隔は、前記第１の電極要素間のピッチ間隔の１／３〜１／１０であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシャッタ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のシャッタであり、
   多数の開口部を備えた第１の板状キャリアと、
   前記第１の板状キャリアの第１の側に配置され、前記第１の電極要素を形成する導電層と、
   前記第１の板状キャリアの前記第１の側とは反対の第２の側に配置され、前記第２の電極要素を形成する導電層と、
   多数の開口部を備え、前記第３の電極要素を形成する導電層が両面に設けられた第２の板状キャリアと、
   前記第１の板状キャリアと前記第２の板状キャリアとの間に配置されるスペーサと
   をさらに備えることを特徴とするシャッタ。
8. イオン移動度分光計であり、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のシャッタと、
   前記第２の電極表面に平行に且つ前記第２の電極表面から離間して配置され、前記イオンの到達を検出するコレクタプレートと
   を備えることを特徴とするイオン移動度分光計。
9. 前記シャッタと前記コレクタプレートとの間に配置される第２のスペーサを備えることを特徴とする、請求項７に記載のシャッタを有する請求項８に記載のイオン移動度分光計。
   

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