JPH04503406A - イオン移動度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イオン移動度検出装置 本発明はイオン移動度検出装置に関する。

イオン移動度検出装置は、環境内にある例えば大気中の汚染物質のような物質の 存在の検出に使用される。公知の可能性のある汚染物質のライブラリ（Ｉｉｂｒ ａ−ｒｙ）は確立されていてこれらに対して知られている測定は未知の種（ｓｐ ｅｃｉｅｓ）からの結果と比較されて、サンプルが汚染物質を含んでいるか否か が決定されて、含まれておればこれが既に確認されているか否かを決定する。濃 度の測定または濃度の表示は種の定量的表示と共に与えることができる。

典型的な従来技術のイオン移動度検出装置はイオン化源、イオン反応領域、例え ば管状のイオンドリフト領域、イオン反応領域とイオンドリフト領域との間に介 挿されたイオン注入シャッタ即ちグリッド、およびイオン検出器とを有する。こ のシステムはドリフト領域内での含有ガス分子の平均自由行程が容器の寸法の数 分の−である大気圧において動作する。普通純粋にした大気中の空気（ある種の 荷電した種の検出に影響を与える可能性のある水蒸気を除去するために特に純粋 化された）であるキャリアガスがイオン移動度特性の特徴付けによってその本体 が定性されるべきサンプルガスまたは物質蒸気と共にイオン移動度検出装置中に 導入される。サンプルを含有するキャリアガスはイオン化源に露出されるように 入口から導入される。これはキャリアガスとサンプルとの両者の一部に直接にイ オン化を起こさせることとなる。

キャリアガスの分子はサンプルよりは非常に多数存在するので、これらの多数が イオン化される。この段階ではガス状混合物は反応領域内にあって平均自由行程 が反応領域の寸法の数分の１と小さいので、キャリアとサンプルガスとの分子間 の複数回の衝突が生じ、その結果はイオン電荷がこれらの衝突によってキャリア 分子からサンプル分子へ移転されることとなり、その結果２次イオン化を生じて サンプル分子の多数をイオン化する。通常反応領域は荷電した混合物を電気的に 帯電されてイオンの反応領域からドリフト領域への移転を防止しているが帯電を 解除してイオンパルスをドリフト領域へ通過させるようにすることもできるイオ ン注入グリッドに向けて動　・かす電位勾配の影響の下にあるように配列されて いる。

従って、グリッドは周期的に短時間帯電が解除されて若干数のイオンがドリフト 領域へ導入される。この期間をサイクル時間と称するが、変化させ得る。ドリフ ト領域は静電的ドリフト電界即ち電位勾配の影響下にあるようにされるが、これ はイオンをドリフト領域内でイオン注入グリッドからドリフト領域の終端に位置 してイオンから電荷を集める検出電極に向かって動かす作用をしている。検出グ リッドでの各イオンのイオン注入グリッドが開放された時刻に対する到着時刻は ドリフト領域を占拠しているキャリアガス内のイオンの移動度によって決定され る。重いイオンはドリフト領域を更にゆっくり運動して軽いイオンに比較して検 出器への移動が長くなる。

同一の移動度のイオンは拡散効果のために若干変化した速度を有し、これが検出 電極に到着したときに誤差関数的に広がり、そのピークはグリッドの開放と検出 器へのグループの到着との間に要した時間を決定する一つとされる。これはイオ ンを特徴付けるのに使用し得る。

しかし、検出しようと考えているある種の分子が陽の種にイオン化し、他のもの が陰の種に、そしであるものが両方の種を形成する。もし両方の種の検出が同一 サンプルで同時に達成されるならば、これは魅力的である。

即ち、単一の従来の装置を使用すると、正から負の動作状態への切替えに遅延が 生じて測定を同一サンプルに対して精密には行わないようになる。２個の別々の ドリフトセルを使用すると、サンプルはやはり精密には同一ではなくなる。

米国特許４４４５０３８号（ペンデイツクス）は、正および負の種の同時検出を 可能とするためにダブルチューブ（ｄｏｕｂｌｅ　ｔｕｂｅ）構造を提案してい る。

これは介挿イオン化源とイオン化源に向かうサンプルおよびキャリアガスの横向 きの流れを有する対向ドリフト管を提案している。これは、入口ノズルから対向 ドリフト管の間に中心的に取り付けられたイオン化源の中に位置するエントラン スに導（長い入口ラインの採用を必要とする。実験によるとオフセットイオン化 源は、更に早い応答と高感度とを達成することが出来る事を示している。

ペンデイックスは陽および陰イオンが容管のシャッタグリッドを同時に開放する ことによって、またはグリッドを順次に開放することによって検出可能であると 提議している。ペンデイックスの構造において管１８内の電界はイオン化領域か ら陽イオンを引き出し、管１６は陰イオンを引き出す。同時に正（陽イオン）お よび負（陰イオン）スペクトルを得るために、イオン化器は固定電位になければ ならない。

本発明の第１の特徴によれば、イオン移動度検出装置はサンプル入口メンブレン と、２またはそれ以上のイオンドリフト領域が接続され、メンブレンを通過して イオン化源を通りイオン反応領域に至るサンプルを流す部材と、各ドリフト領域 に電位勾配を作り出す装置と、反応領域内に位置する特別の符号のイオンにドリ フト領域をアクセス可能またはアクセス不能とする各ドリフト領域のエントラン スに位置するイオン注入シャッタと、各ドリフト領域内のイオン検出器と、ドリ フトガスを各ドリフト領域を介して反応領域へ通過させる部材と、ドリフトガス を反応領域から排気するための、イオン化源から離れた反応領域内にある出口部 材と、を有し、イオン化源は反応領域とオフセットしている。反応領域とオフセ ットしているイオン化領域は、キャリアガスとサンプルとのイオン化がこれらが 反応領域に到着する前に生じ得る、と言う長所を有する。

好ましくは、検出装置は２個の円筒状のドリフト領域を有し、反対極性のイオン を引付けるように配列され、円筒状反応領域の両端にこれらが位置し、また、イ オン化源は円筒状反応領域の外部のハウジング中に位置し、前記ハウジングは反 応領域と連通している。好ましくはドリフトガスを排出する出口部材はイオン化 源用のハウジングとは直径方向反対側に位置する。

オフセットされたイオン化源は好都合にも導入すべきサンプルを出来るだけ短い 経路でイオン化領域へ導入可能であると言う事を可能としている。装置がサンプ ル濃度の変化に迅速に応動しなければならぬ時には、この通路を最低限にするこ とは重要なことである。

更に、オフセットイオン化源は直線状のガス流配列を可能としている。この配列 は２長所を有するが、その一つはすべてのサンプルがイオン化源の全体を通過す るようになっているが、この様な配列は感度を最高にするものであり、第２に、 例えば装置の感度を変化するためにガス流を独立して変化させる手段を残したま までドリフト領域に到着しようとする任意のサンプル分子の可能性が除去される 。

本発明の第２の特徴によれば、イオン移動度検出装置にはイオン化源に交番電位 が供給される。本発明のこの特徴は、数本のドリフト管を有する、特に本発明の 第１の特徴に関連して好ましい２管配列であるイオン移動度検出装置に使用可能 である。

交流電位を放射能源に印加する長所は、これがイオン化および反応領域の各種の 部品の上に蓄積される表面電荷の影響を除去する傾向があることである。これら の領域でのイオンの濃度は装置のその他の領域よりも相当に大きく、そのため、 一定電圧がイオン化源に印加されると、この領域の表面とのイオンの衝突が数秒 ないしそれ以上に亘ると、表面への電荷の蓄積を導くこととなる事が判明してい る。この欠点は装置内の電界が所望の通路からイオンを追い払うように変化する ことである。観察される結果は時間と共に信号振幅が着実に減少すること上述し たペンデイックス明細書において、ペンデイックスはイオン化電位が交流である べきことには同等言及していない。イオン化源への交番電位の使用はイオン化お よび反応領域を反対極性のイオンで周期的に充満することである。そのため表面 帯電は中和されて１またはそれ以上のドリフト管を通る電流は適切なものとなる 。従来のイオン移動度検出装置においてはシャッタに到着するイオンの極一部が 分析のためにドリフト領域に導入されるが、通常シャッタグリッドは時間の１％ 程度開いているのみである事に注意すべきである。本装置においては発明者らは 表面荷電中和用のこれらのスペアイオンを使用してｌまたはそれ以上のグリッド が開放されたときに最大数のイオンが確実に導入されるようにしている。

交番電位は周波数および振幅を変化させることができ、矩形波形は好ましくは正 電位の持続時間と振幅とが負電位の持続時間と振幅とに無関係に変化できるよう に正および負に関して対称性に関して変化可能である。この様にして、イオン滞 留時間は複数のイオンに対して反応領域内において変化させ得、ターゲットイオ ン濃度を正、負イオンに関係なしに最大限とすることを可能としている。

この様な交番電位、好ましくは矩形の形状の、を使用すると、イオン化および反 応領域からのサンプルは短時間ゲート開放パルスのイオン注入グリッドへの印加 によってドリフト領域への到着が可能となる。交番電位の１半サイクルとゲート 開放パルスの開始との間の時間的な遅延は若干数の予備的な段階で変化させるこ とができ、検出電極によって検出され、予備工程の終了までメモリ内に蓄積され たその結果にもとずく電流と、ゲート開放パルスの好ましい遅延は、少なくとも 特別な特性のイオン、即ち予備工程を実施したもの、に関して引続いての試験に 関して最適状態を与えるゲート開放パルスの好ましい時間遅延として選定される 。

この要領で別々の２種の時間遅延を交番電位サイクルの２つの半サイクルに対し て、従って陽および陰イオンに対して設定することができる。

即ち、本発明の第２の特徴および好ましくは同様に第１の特徴も使用するイオン 移動度検出器を使用する好ましい方法で、従ってイオン化源に交番電位を使用す るのみならず、一対の対向ドリフト管も使用するものにおいては、反応領域から のサンプルはイオン注入シャッタ即ちグリッドへの短時間のゲート開放パルスの 印加によってドリフト領域に到着が許され、交流電位の１半サイクルとゲート開 放パルスの開始との間の時間遅延は若干数の予備段階において変化され、ドリフ ト管内のイオン検出器において検出されたこれに基ずく電流は予備工程の終了ま でメモリ内に蓄積され、ゲート開放パルスに対する好ましい時間遅延が予備工程 を行ったイオンに対して最大のイオンビークの振幅を与える最も好ましい結果を 与えるものとして次の試験に対して選定される。　１試験は制御器内のマイクロ プロセッサの制御下で行われるが、これは予備段階とその次の試験とを実施する ようにプログラムされている。

全工程は１秒以上の時間を必要としないが、特別の、即ちターゲットとするイオ ンビークに対して最高のａ１定をすることが可能である。

管状の形状のドリフト領域はセラミック材料と金属のリングの交互配置によって 構成し得るが、この導電性の金属リングはガードリングと称されている。リング の積重ねは相互がクランプされてガス気密管を作るように封止される。この形式 の装置はしばしば外部封止外囲の中にリングの積重ねを封じ込んでいる。静電的 ドリフト電界電位勾配は隣接ガードリングを相互に抵抗を介して接続して端部の ガードリングを電源端子に接続することによって作られる。導電性リングは一連 の上昇電圧レベルを作り出し管の長手軸はこの様にして作られた静電界の長手軸 と一致している。

この様な従来配列は米国特許３５２２４２５号明細書に記載のものであるが、こ れは、抵抗５２によって相互接続され電池電源に接続可能なリード２６と接地電 極１２に端子接続されて比較的一様な電界勾配を提供するようになされた複数個 の離隔リング状導電板を有する「従来型」電圧分割器５０を開示している。

静電界を作るためにその他各種の構造を使用することができる。即ち米国特許４ ３９０７８４号は厚いフィルム抵抗組成物をその内面に沿って被覆したセラミッ ク、ガラス、またはその他の適当な非導電性材料の管から成るドリフト管を提案 している。

発明者らは１５０−３５０ボルト／センチメートル、好ましくは約２２５乃至２ ７５、例えば約２５０ボルト／センチメートル、の範囲の電位勾配を使用するこ とを推奨する。

安全上の考慮から、装置のサンプル注入部分は接地電位にまたはその近くに維持 するように配列する事が好ましいが、これは管の他端にあるコレクタ電極および これに結合されている増幅器は高い正または負の電位、例えば１２５０Ｖまたは それ以上となることを要求する。

本発明の好ましい形状においては、増幅器の信号出力の記録、表示、またはその 他のプロセッシング用の装置は高電圧から絶縁されている。これは周波数変調信 号のコンデンサ結合を使用した絶縁増幅器を使用してまたはこの原理を基礎とす る光学的システムを使用して達成されるが、これは好ましくは増幅器の出力信号 を信号振幅に比例する強度の光出力へ変換してこれを例えばファイバオプティッ ク結合によって記録、表示またはプロセッシング装置の先入力へリンクして好ま しく達成される。

本発明は各種の要領で実施できようが、特殊の１実施例を添付の略式表示を参照 して本発明を示すために説明するが、これにおいて、 図１は本発明による装置のドリフト管とガス流路の構造を示すイオン移動度検出 装置のブロック略図であり、図２は電気接続および電子部品の略式ブロック図（ 小縮尺での）であり、また、 図３は本発明で使用する矩形波形の表示である。

図１および図２を参照すると、イオン移動度検出装置は相互に対向位置して横方 向に位置する反応領域を定めているゲーティンググリッド端１１Ａと１１Ｂを有 する一対の同軸ドリフト管１０ＡとＩＯＢとを有する。反応領域２７にはドリフ ト管１０Ａと１０Ｂの一方側にオフセットしているハウジング１２中に位置する イオン化領域管１６からのイオン化種が供給される。サンプルに特徴的な単極性 イオンが反応領域管２７で作られて発生したイオンの移動度はドリフト管１０Ａ とＩＯＢの中で定量される。各イオンドリフト管はエンドキャップ１４Ａと１４ Ｂとを夫々有する。ハウジング１２はその一端にイオン化領域管１６を有し、ハ ウジング１２に取り付けられている入力ノズル１８である入力端が併置されてい る。１２と１８とのインターフェースはメンブレン２４である。ノズル１８のメ ンブレン端は大気への通気口２０を有し、ガスを大気へ通気することを可能とし ている。イオン化領域管１６はそのゲーティンググリッド端がメンブレン２４に 隣接している。イオン化源２６が管１６中に位置している。夫々のドリフト管の ゲーティンググリッド端１１ＡとＩＩＢは注入グリッド２８Ａと２８Ｂで閉止さ れているが、これらはこのようにして反応領域２７の側部バウンダリを定めてい る。

イオン化領域管１６は内径７．４ｍｍの金属管である。

注入グリッド２８Ａと２８Ｂとはドリフト管１０Ａと１０Ｂの端部を形成するセ ラミックリングに取り付けられている。注入グリッド２８Ａと２８Ｂとは夫々い わゆる固定グリッドといわゆる移動グリッドとから成り、後者は反応領域２７に 面している。

各ドリフト管にはエンドキャップ１４Ａと１４Ｂから夫々反応領域２７へ向けて これを通過するドリフトガスの反対流を流すシステムが設けられている。そのた め各エンドキャップ１４Ａ、１４Ｂはドリフトガス入力口３４Ａと３４Ｂとを夫 々有する。反応領域はハウジング１２の反対側に位置するドリフトガス出口２２ を有する。

イオン化領域管１６にはまたキャリアガス用の入口３５を有する（これはドリフ トガスと同一でも相違していてもよい）。ドリフトガスとキャリアガスとは使い 捨てガス源、例えば公知の要領の純粋ガスの加圧シリンダから供給しても、同様 に公知の、再循環ポンプ、ビュリファイア、およびドライアに接続ｌ−でガスが 保存されて純粋に維持されて所望の乾燥度を持っているものでもよい。

この様にしてガス流は入口３５から入り、これはメンブレン２４を浸透通過する サンプル蒸気を取込んでこれをすべて放射能源２６の全長に運ぶ。領域２７にお いて、サンプルはドリフト管１０Ａと１０Ｂからのドリフト流によって薄められ 、薄められたサンプル流は装置からドリフトガス出口２２を通って流出する。

エンドキャップ１４Ａと１４Ｂとはまたドリフト管１０ＡとＩＯＢ内に夫々取付 けられているコレクタ電極３２Ａと３２Ｂとを有し、スクリーングリッド３３Ａ と３３Ｂとに夫々先行されている。スクリーングリッド３３Ａと３３Ｂとは静電 容量的結合および誘導電荷効果を克服するために設けられ、スクリーングリッド ３３Ａとコレクタ電極３２Ａとの間の電位勾配がドリフト管の残りの部分のそれ と同等であるかこれよりも大きい様にコレクタに対して一定の電位に保たれてい る。

コレクタ電極はドリフト管の内径に等しい直径を有する。

各ドリフト管１０ＡとＩＯＢとは管の長手方向に沿って電位勾配を印加する構造 に設けられている。この構造は４個の離隔金属ガードリング３０Ａ１乃至３０Ａ ４および３０Ｂ１乃至３０Ｂ４から成る。これらのリングは管に沿ったセラミッ クディスクによって隔てられてスタック全体は相互にクランプの上周知の方法で 管を形成している。

適当な電圧が各リングに印加されて所望の電位勾配を作っている。

電圧は、５２Ａと５２Ｂとで同様に略示する抵抗チェインで橋絡されている図２ に５ＯＡと５０Ｂに略示する一対の調節可能高電圧源によって供給される。各チ ェイン（抵抗５１で作られる）は入口ノズル構造物（ゼロ電位に保つ）と夫々の コレクタ電極３２Ａまたは３２Ｂ（その一方は高い正電圧でその他方は高い負電 圧、例えば＋１２５０ｖと一１２５０ｖ）との間に接続されている。

各チェイン５２に対して、中間点はそのゲート２８の固定グリッドとそのドリフ ト管１０のガードリングとそのスクリーングリッド３３とに接続され、検出器内 のこれらの夫々の場所に適当な電位差を発生している。

放射能源２６は好ましくは公知の６３Ｎｉフオイル放射能源で、ベータ放射を生 じる。電位勾配は以下説明の通りに作られる、放射能源２６からグリッド２８Ａ と２８Ｂまで、荷電イオンが放射能源の近傍から注入グリッド２８Ａと２８Ｂに 移動するように働＜　（３２Ａが正なので、グリッド２８Ａが正で陰イオンを吸 引、３２Ｂが負なのでグリッド２８Ｂは陽イオンを吸引）ここで、グリッドが閉 止されていると、夫々のイオンは放電される。正確な動作モードに関しては以下 に説明する。

ドリフト管内のガードリング３０の間の電位ステップは等しい。

各コレクタ電極３２Ａと３２Ｂとは夫々増幅器３６Ａと３６Ｂとに接続されるが 、これらはその出力部に夫々発光ダイオード３８Ａと３８Ｂとを有する。これら のダイオードはコ１ツクタグリッド３２と同一電位でフロートしている。先ファ イバリンク４０Ａと４０Ｂとが発光ダイオード３８　Ａと３８Ｂの光出力を夫々 増幅器４４Ａと４４Ｂの人力部のダーｒオ・−ド４２Ａと４２Ｂに結合して、そ の出力は１子制御ユニツト４６０入力に接続されている。制御ユニットは出力を 記録器／表示器４８に供給してトリがパルスを注入グリッド２８Ａと２８Ｂとに 線路２９Ａと２９Ｂとを介して供給している。

ａ注入グリッド２８Ａ、、２８Ｂは通常制御ユニットによ一ンて電気的にバイア スされてイオンの通過を防ＪＪ：Ｌ、ているが、その夫々は制御ユニット４６か らの電気パルスによって周期的にゲー・トされてゲート・注入グリッド２８がイ オンパルスを各ドリフト管ｌ　ＯＡまたはＩＯＢに通過させる。

注入グリッド２８Ａ、２８Ｂは通常２組の平行な、相互に殆ど半ピツチずれた（ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉ　ｔａｔｅｄ）複数本のワイアである。注入グリッドは２組 のワイアの間に電位差が与えられたときに閉止する。２組のワイアの間に電位差 がないとき、例えばこれらが電気的に接続されているとき、イオンはグリッドを 通って流れ得る。グリッドは直径１．２　ｍ　ｍを有するドリフト管に対する円 形開孔を為している。

抵抗チェインの１８から３２Ａまでの電位差は＋１２５０ｖで、１８から３２Ｂ までのそれは一１２５０ｖである。放射能源２６の電位は好ましくは±２５０ｖ であるが、±５００ｖにまで上昇し得、各固定された注入グリッド２８Ａ、２８ Ｂから４ｍｍ！れて位置するが、前記固定された注入グリッド２８は放射能源２ ６に対して放射能源と固定グリッドとの間の電界勾配が管１０の中のそれ（通常 ３００ボルト／　ｃ　ｍ　）にほぼ等しい様に維持される。各注入グリッド２８ Ａ、２８Ｂの移動グリッドは制御器４６によって固定された注入グリッドのそれ よりも高い電位、例えば３０，４０、または７０ボルトにもして、注入ゲートを 閉止する。ゲートを開放するには制御器は両電圧を等しくする。導体３０の間の 抵抗５１は通常５メグオームで導体３０Ａ１乃至３０Ａ４に３００ボルト／　ｅ 　ｍのほぼリニアな電界勾配が管１０Ａと管１０Ｂの中に作られる様な電位を発 生させている。

この装置の動作は次の通りである。通常乾燥純粋化空気であるドリフト管ガスは ３４Ａと３４Ｂとから流入して２２から出て各ドリフト管１０を循環する。当業 者周知の従来の流量は例えばドリフト管容積のｃｃ当り１乃至５０ｃｃ／分が使 用される。

空気は好ましくはゼロ空気（ｚｅｒｏ　ａｉｒ）である。ドリフトガスの機能は ドリフト管内でのイオン−分子反応を防止することである。

典型的に使用されるキャリアガスは、検出すべきまた特徴付けられるガスサンプ ルを含有する環境大気空気であるが、これは通気口２０に取付けられたポンプ（ 図示せず）によって入口１８に引き込まれる。反応管の容積に対して類似の流量 がドリフトガスとして使用される。

メンブレン２４は有機物分子のような検出を希望する分子の種を選択的に透過す るがＨ２Ｏ，０２、Ｎ２、およびＣ０２に関しては透過率が遥かに低いか、事実 上不透過である様に選定する。検出しようとする種は従ってメンブレンを透過し てイオン化管１６に入り、キャリアガスのあるものと共にイオン化源２６の近傍 に通過する。

メンブレンはジメチルシリコーンゴムのようなシリコーン基ゴム物質のシートで ある。電源を投入すると５ＯＡが正に５０Ｂが負になる。キャリアガスがイオン 化されると共に僅かだがサンプルガスがイオン化される。

イオン移動度検出装置は大気圧またはその近くで動作しているので、イオンとそ の他の分子の平均自由行程は隣接空間の寸法に比較して小さくスペース２７内の 反応領域内での各種ガス分子の間の多数の衝突が存在する。

衝突はイオン化キャリアガス分子からの電荷の移転によってイオン化サンプル分 子を作る事となる。

イオン化源２６と注入グリッド２８Ａ、２８Ｂとの間の電界勾配はイオン化源に よってキャリアとサンプルガスから作られたイオンを注入グリッドの方に移動さ せる。

本発明によるイオン移動度検出器は正に帯電した、および負に帯電したイオンの 両者を事実上同時に検出可能である。上述したようにコレクタグリッド３２Ａの 電位が正にされていたとすると、陰イオンがこれに引き付けられ、また、コレク タ３２Ｂが負であると、陽イオンがこれに吸引される。

６３Ｎｉフオイルのイオン化管には電線２５を介して制御器４６の制御の下に別 の交流電源によって交流が給電される。この電流は大地に対して通常＋２５０ｖ の１００ヘルツ未満で通常５０ヘルツ（−秒間５０サイクル）の矩形波である。

２６における電位が＋２５０ｖに切り替わると、グリッドが閉止しているときに は２６と注入グリッド２８Ａとの間の電位差が陰イオンを注入グリッド２８Ａの 方へ移動させ、これらが注入グリッド６３　。

２８Ａに到着した時に放電する。　Ｎｌフォイルによって作られた陽イオンはこ の期間内に管１６内で放電される。

制御器４６は矩形波形を発生するが、正および負の部分に関して非対称であって もよく、図３に示すように矩形波の立ち上がり端から制御された遅延の後ゲート グリッドの開放をトリガする。夫々の陽または陰イオンスペクトルのターゲット イオンビークをモニタしながら正または負の遅延を別々に手動でまたはフィード バックループて調節可能である。

時間遅延に関する最初の操作に関して、ｔＢ（図３参照）は短いが、コレクタ３ ２Ｂからの検出電流はリンク３６Ｂ、３８Ｂ、４０Ｂ、４２Ｂおよび４４Ｂを通 って制御器４６に供給され、ｔＢでのゲート開放パルスの時刻から開始される電 流時間スペクトルとしてそこのメモリに記録され、またパッケージ内のイオンの 特性とその特性を有するイオン数を示す開始時刻からの検出電流ピークと振幅と を示す。

次の操作において、時間遅延ｔ８を増加して別の電流／時間スペクトルをメモリ 内に蓄積する。

時間遅延ｔＢを段階的に矩形波の正の半波内で増加する。

制御器４６は次の利用のために特定のピークで最大電流振幅を生じる特別な時間 遅延ｔＢを選定するようにプログラムされている。

選定された時間遅延ｔ８を使用しての次の段階において、検出電流を平均化して 記録または表示に使用する。

全工程は０．５乃至１，０秒を要しよう。

工程は時間遅延ｔＡと陰イオンに対して繰り返す。

引き続く立上り端の間の間隔は典型的には２０ミリ秒（ｍｓ）である。ゲーティ ンググリッドは５０−１０００マイクロ秒（μＳ）開放されようが、しかし好ま しくは約１８０マイクロ秒（μＳ）で、このゲーティング時間は、グリッド２８ Ａの場合陰イオンのスラブ（ｓｌａｂ）に対するドリフト時間の開始、または注 入グリッド２８Ｂの場合陽イオンのスラブのそれである。

交番電位が一２５０ｖに切替わると、正モードの遅延が開始されて、注入領域２ ７内の正電流のビルドアップを許容し、この遅延期間の終りに制御器４６が注入 グリッド２８Ｂを典型的には２８０マイクロ秒（μＳ）開放する（これが陽イオ ンのこのスラブまたはバッチ（ｂａｔｃｈ）に対するドリフト時間の開始）。ゲ ート２８Ａの後注入グリッド２８Ｂは典型的には約１０ｍ５開放されるが、この 時間に陰イオンの第１バツチは管１０Ａを約半分下る。

このサイクルが繰返されて正負両コレクタ電流に対して制御器４６によって読み が平均化されて平均値が生じる。典型的にはサイクル数は１６であるが、しかし これは適当な信号−雑音比を得るために変化することができる。

矩形波の振幅は所望ならば変化することができ、＋５００ｖの大きさ程度の振幅 を持たせることができる。

振幅を増加させるとイオン化および反応領域でのイオンの滞留時間が減少し、イ オン−分子反応の変化を介してターゲットイオン濃度を最大にすることができる 。

、６３ Ｎｔ　放射能源からのベータ粒子は主としてキャリアガス分子に衝突し、陰陽イ オン対を発生する。放射能源が正電位だと、陽イオンは放射能源で放電されて陰 イオンが反応領域に追いやられてここで電荷交換および付加的反応を含む更なる イオン−分子反応を受ける。簡単な例として、０２−イオンが適当なサンプル分 子Ｍと衝突すると電荷交換が生じ得て、０２　＋Ｍ−０２＋Ｍ−の結果荷電サン プルを発生し、引続いてその他のＭ−付加イオンが生じる。

反応領域２７から注入グリッド２８Ａに引かれるのはこの種の発生イオンである 。

制御器４６によって注入グリッドが典型的には各２０ｍ５毎に約０．１８ミリ秒 （ｍｓ）電位が除去されることによって開放されると、これによって負に帯電さ れたイオンの定期的なパルス即ちスライスがドリフト管１０Ａに導入される。こ の２０ｍ５の時間間隔はサイクル時間として周知である。この構造においてはサ イクル時間は所望に応じて１０乃至１０１００Ｏの間で変化可能である。上述の 通り、逆流ドリフト管ガスはイオンと分子間のこれ以上の反応を防止する機能を 有する。

イオンは次に印加された一様静電界によってコレクタ３２Ａへと移動するが、こ れらは管１０Ａの通過に伴って早い更に移動度の大きい陰イオンとこれに引続い ての遅い、移動度の低い陰イオンとに分離し、各グループは特別な陰イオン種の 移動度を同定するのに使用する平均または尖頭最大値を中心とする分布として電 極に到着する。この様に、イオンは個々の移動度のグループに分離する傾向を有 し、注入グリッド２８Ａによってドリフト管内にこれらを注入した後の相違した 時間でコレクタ電極に到着するグループのドリフト時間がイオン移動度に直接に 関連している。

イオンはコレクタ電極３２Ａで放電されるがこれが増幅器３６Ａの入力に電流を 発生し、これはイオンが電極３２Ａに射突した時の各グループのイオンの数に関 連している。

電流は増幅器３６Ａによって増幅されて発光ダイオード３８Ａによって放射され る光の強度のこれに関連した変動を生じる。

放射された光は光フアイバリンク４０Ａによ７て入力ダイオード４２Ａに結合さ れ、これが増幅器４４Ａの入力に関連する電流を発生し、増幅の上尾子制御ユニ ット４６に向い、更に、処理された後、表示器／記録器４８へ行くが、これはオ シロスコープ、ペン記録器、磁気記録媒体、または警報器、或いはこれらの任意 の組合わせでよい。

電子制御ユニット４６の構造、回路回り、及び動作モードに関してはこれ以外は 前述した通りである。

電子制御ユニット４６から表示器／記録器４８への電流信号はイオン移動度で検 定しうるイオン移動度スペクトルであり得、入口ノズル１８によってサンプリン グされた大気中に存在する分子の量とタイプとに関連させ得る。

ドリフト管１０ＡとＩＯＢとを通るドリフトガスの反対流はサンプルとキャリア との非イオン化分子の除去の役割を行うが、これらの分子は注入グリッド２８Ａ 、２８Ｂを通過し得て、除去されなかった場合更にイオン−分子反応を起し、ド リフト領域の通過中コレクタで検出されたときイオンの同定に変化を及ぼし、イ オン移動度スペクトルの歪みをもたらす。

上述のように、ある分子は単一イオン種にイオン化するが、別のものは数種のイ オン種にイオン化する。到着時間とこれらの尖頭値、およびその符号は特性スペ クトルとして使用し得るが、この場合未知の種は、ドリフト状態、即ち電位、キ ャリアガス、流量、純度、温度、圧力、及び湿度、が周知ならば既知のサンプル と相関させ得る。

電子制御ユニット４６は従って好ましくは既知の種に対するスペクトルのライブ ラリを持っている。これらは記録器−表示器４８に表示可能で、未知のサンプル と比較可能または電子制御ユニット内で比較することができ、一致が見られたと きには検出種の名称が表示されるか可視的または可聴的または両者の若干の特徴 的信号が与えられる。

更に、検出した種の濃度が測定されて直接の数値が読み出されるか単なる濃度レ ベルの表示が為され得る。

上述の通り、注入グリッド２８Ａ、２８Ｂは上述のように１０１０−１Ｏ００の 範囲で各サイクル毎にパルス印加される。コレクタ電極３２はイオン尖頭値パタ ーンを連続的に測定し、パルスの振幅はイオン数に比例しており、イオン到着時 間はイオンの特性である。即ちイオンの実際ドリフト時間は時間ベースであり、 完全イオンドリフト時間は各サイクル毎に発生される。セルをクリアするのにサ ンプルに対して数秒を要するが数サイクルに亘っての繰返し走査の平均（上述の ）は改良された信号／雑音比を得る事の助けとなる。

国際調査報告 国際調査報告 ＰＣＴ／ＧＢ　９０１００１８２ Ｓ＾　３４１５７

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．サンプル入口メンブレンと、サンプルをメンブレンを通ってイオン化源を介 して２又はそれ以上のイオンドリフト領域が連通しているイオン反応領域に流す 装置と、各ドリフト領域に電位勾配を印加する装置と、各ドリフト領域の入口に 位置し反応領域の中に位置する特定の符号のイオンをドリフト領域がアクセス可 能またはアクセス不能と為し得るイオン注入シャッタと、各ドリフト領域内のイ オン検出器と、ドリフト領域のドリフトガスを反応領域に通す装置と、更に反応 領域からドリフトガスを排気するためにイオン化源から離れて位置する排気装置 とを有して成り、イオン化源（２６）が反応領域（２７）からオフセットしてい る事を特徴とするイオン移動度検出装置。
2. ２．好ましくは反対極性のイオンを吸引するように配列され、円筒型反応領域（ ２７）の両端に位置し２円筒状ドリフト領域（１０Ａ、１０Ｂ）を有し、イオン 化源（２６）が円筒型反応領域の外側のハウジング（１２）に位置し、前記ハウ ジングが反応領域と連通している事を特徴とする請求項１記載のイオン移動度検 出装置。
3. ３．ドリフトガスの排気用の出口装置（２２）がイオン化源用のハウジング（１ ２）とは直径反対方向に位置している事を特徴とする請求項２記載のイオン移動 度検出装置。
4. ４．イオン化源に交番電位が給電される事を特徴とするイオン移動度検出装置。
5. ５．請求項１乃至３の任意１項に記載され、請求項４に記載のイオン移動度検出 装置。
6. ６．サンプル入口メンブレンと、サンプルをメンブレンを通ってイオン化源を介 して少なくとも１のイオンドリフト領域が連通しているイオン反応領域に流す装 置と、１または各ドリフト領域に電位勾配を印加する装置と、各ドリフト領域の 入口に位置し反応領域の中に位置する特定の符号のイオンをドリフト領域がアク セス可能またはアクセス不能と為し得るイオン注入シャッタと、各ドリフト領域 内のイオン検出器と、ドリフト領域のドリフトガスを反応領域に通す装置と、更 に反応領域からドリフトガスを排気するためにイオン化源から離れて位置する排 気装置とを有して成るイオン移動度検出装置の使用方法において、この使用方法 は、反応領域からのサンプルがイオン注入シャッタまたはグリッドに短いゲート 開放パルスの印加によってドリフト領域への到着が許可され、交番電位の１半サ イクルの開始とゲート開放パルスとの間の時間的遅延は若干数の予備的段階の間 に変化されてドリフト領域内のイオン検出器で検出されたその結果の電流はメモ リ内に予備段階の終了まで蓄積され、ゲート開放パルスの好ましい時間遅延が予 備段階が実施されたイオンに対して最適な結果、例えば評価中のイオンピークの 最大振幅を与えるようにその後の試験のために選択され、時間遅延はその後この イオンのために使用される事を特徴とするイオン移動度検出装置の使用方法。