JPH05303957A - イオン移動度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 反応器領域中で製造されたイオンがゲートの
調節下で管のドリフト領域に進み、次に電位計板に進む
イオン移動度検出器を提供する。 【構成】 管の反応器領域１４中で生成しそして反応器
領域をドリフト領域１６から分離させているゲート３５
の調節下で管のドリフト領域にそして次に電位計板３８
に進むイオンを加速するための電場部品として導電性帯
２４，５０を有する一体絶縁管１２，１５を含んでいる
イオン移動度検出器。第一の直流電圧源４４が操作電圧
を導電性帯に供給しながら、別個の直流電圧源６０が操
作電圧をゲートに供給している。該検出器はゲートの電
位を変えて電池内のイオンの正確な焦点合わせを確実に
するための回路を含んでいる。該回路はゲートの電位を
変えるための装置を含んでいる。該装置は電位計板と連
結している増幅器４０の出力の関数として自動的に調節
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、管状電池の反応器領域中で製
造されたイオンが反応器領域をドリフト領域から分離さ
せているゲートの調節下で管のドリフト領域に進みそし
て次に電位計板に進むイオン移動度検出器に関するもの
である。

【０００２】イオン移動度検出器は先行技術で公知であ
る。簡単に述べると、それらは反応器領域、ドリフト領
域および電位計板を有する管状構造体からなっている。
分析しようとする気体を、例えば空気の如き担体気体と
一緒に、反応器領域中に加え、そこでそれは例えばそこ
に含まれている放射活性物質によりイオン化される。反
応器領域およびドリフト領域の間のゲートに適用される
電圧により、イオンの試料はドリフト領域に入り、そこ
でそれらはドリフト電場により加速される。イオン試料
はそれらの物質により最終的速度に達し、そしてドリフ
ト領域の終点でゲートから電位計板への工程にかかる時
間により分類される。

【０００３】ドリフト電場は種々の方法で、例えば電圧
が適用される絶縁管の表面（内または外）上での環状電
極により、発生させることができる。抵抗器は隣接電極
と連結しており、そして末端電極間に高電圧が適用され
る。抵抗器は管に沿って電場勾配を生じさせる。不連続
的抵抗器の代わりに、一部の先行技術の検出器は抵抗性
物質の連続的フィルムを使用している。例えば、ブラウ
ニング（Browning）他の米国特許番号４,３９０,７８
４、１９８３年６月２８日発行、を参照のこと。

【０００４】別の構造では、金属製の管および絶縁物質
を交互にすることによりドリフト管が形成されている。

【０００５】ドリフト管の操作はさらに詳細にはコーエ
ン（Cohen）他の米国特許３,６２１,２４０、１９７１
年１１月１６日発行、中に説明されている。

【０００６】下記の米国特許は一体電池設計および試料
採取技術に関するものである： ４,３９０,７８４ ブラウニング他 ４,７１２,００８ ヴォラ（Vora）他 ４,７７７,３６３ アイスマン（Eiceman）他。

【０００７】広範囲の研究の結果として、確実にイオン
移動度検出器が電池中のイオンを充分に焦点合わせしそ
して空間荷電問題に遭遇しないようにするためにはイオ
ン移動度検出器に関して多くの重要因子を考慮にいれる
べきということが決定されている。それらの重要因子
は、 １.第二反発板として機能するための導電性層中でコー
テイングされている２個の管部分が合致するところにエ
ルボを有する、小さい方の直径の管部分（反応領域）か
ら大きい方の直径の管部分（ドリフト領域）への顕著な
移行、 ２.管の表面上に明確に規定されている導電性帯と整列
するような管内部上でのＮｉ−６３放射活性イオン化源
の配置、 ３.良く規定されている内部の反発板、 ４.電池壁の一部またはそこで使用されているセメント
が電池容量中に突出しないようにする注意、並びに ５.イオンを適切に焦点合わせする凹形電場線の生成を
可能にする調節可能なゲート電位である。

【０００８】これらの因子の一部は先行技術で公知であ
る。上記の点のいくつかの例は下記の米国特許である： １.ヴェルンルンド（Wernlund）他、＃３８４５３０
１、スパングラー(Spangler）他、＃４５５１６２４、
スパングラー他、＃４３７８４９９、およびヴォラ他、
＃４８３９１４３、 ２.ヴェルンルンド他、＃３８４５３０１、およびスパ
ングラー他、＃４３７８４９９、 ３.ヴェルンルンド他、＃３８４５３０１、およびスパ
ングラー他、＃４３１１６６９、 ４.先行技術における一般的知識。

【０００９】しかしながら、調節可能なゲート電位は先
行技術のいずれにも示されていない。

【００１０】

【発明の要旨】ＩＭＳの先行技術は電池の長さに沿って
必要な電圧を供給するための１本の抵抗ラダーを使用し
ていた。ゲートの電位は、電池の長さに沿うゲートの物
理的位置により決められていた。同じことは、内表面上
に配置されているフィルム抵抗器を用いる硬い絶縁管を
使用する最近の設計の電池にも言うことができ、ゲート
の電位は反応領域およびドリフト管の結合部における欠
損により生じる電位により決められていた。これはゲー
ト用の最適電位ではないことが決定されている。電場線
を電池内にモデル化する計算機は、実験証拠と組み合わ
せて、ゲート用の最適電位が典型的には予期された値よ
り低いことを示している。

【００１１】計算機モデル化（シミオン使用）が三次元
で電場線を観察可能にした。ＩＭＳ電池内で使用されて
いる導電性帯のモデルを使用して電場線地図を作成し
た。次にゲートの電位および各場合の焦点合わせ効率を
測定した。これがゲートに関する最適な理論的電位を生
じていた。

【００１２】計算機モデル化は実験作業により行われ
た。ゲートの電位を測定するための第二の抵抗ラダーを
使用する電池を製作した。ゲートを完全に解放状態に保
ち、そして電位計ディスク上に焦点が合わされている全
イオン電流をピコ電流計を用いて監視した。ゲート電位
の関数としての全イオン電流を測定およびプロットし、
そしてゲート用の最適電位を測定した。

【００１３】この研究を絶縁管上の外部導電性帯により
特徴づけられているＩＭＳ電池を使用して行ったことに
注目すべきである。この電池設計を用いると、ゲート電
位が正確に最適化されることが特に重要であり、そして
内部導電性電場部品を有するＩＭＳ電池に関しては厳密
ではないが、上記のゲート電位最適化が行われたならそ
れらがさらに強い信号を生じるであろうと信じられてい
る。

【００１４】正確であるということはゲート電位の調節
によることを意味することは先行技術からは明白ではな
かった。ＩＭＳ電池の正常操作においては、ゲートの両
側を形成している二組のゲート電線がゲートの両側の間
の約５０Ｖの差異でそれぞれ特定の電位のところで保た
れており、すなわちゲートの一面は典型的には１９５０
Ｖであるが他の面は２０００Ｖに保たれているであろ
う。ゲート駆動回路がゲートを開いた時には、両側が一
緒に短絡し、すなわちそれらは両方とも２０００Ｖとな
るであろう。本発明では、ゲートは反対側の間で依然と
して約５０Ｖを有して保たれているが、高電圧点は変動
し、そしてこの高電圧点はここでは「解放ゲート電
位」、「解放ゲート電圧」または簡単に「解放電位」と
称されている。ゲート電位は典型的には１７００Ｖおよ
び２２５０Ｖの間に調節される。

【００１５】ゲートの最適電位が電池の温度により変動
することも見いだされた。ＩＭＳ電池が周囲温度から３
５０℃に加熱される時には、ゲートの電位は電池内のイ
オンの正確な焦点合わせを保つために調節しなければな
らない。

【００１６】

【好適態様の記載】図１を参照すると、本発明に従うイ
オン移動度検出器は一般的に１０で示されている。検出
器の電池部分１１は、ドリフト領域１６を規定している
例えばガラスまたはセラミックの如き絶縁物質製の管１
２および反応器領域１４を規定している管１５からなっ
ている。小さい方の直径の管１５から大きい方の直径の
管１２への鋭い移行があり、そして移行領域１８中のエ
ルボの外表面には第二の反発板として機能する導電性層
２０が備えられており、２１で示されている第一の反発
板は管１５の外端部にある。

【００１７】管１５の内部には例えばＮｉ−６３の如き
放射活性物質２３の帯が備えられており、それは管１５
の外部上の導電性帯２４と整列されている。

【００１８】管１２および１５は一緒に焦点合わせまた
は結合することができる。電池壁の部分またはその中で
使用されるセメントが電池容量中に確実に突出しないよ
うに注意を払うべきである。

【００１９】電池には試料入り口３０、排気口３１、ド
リフト気体入り口３３、ゲート３５、口グリッド３６、
および管１２の外端部中に伸びている導電性担持部品３
９上に設置されている電位計板３８が備えられている。
担持部品３９はピコ電流計（示されていない）と、また
は板３８により受容される電流（イオン）に比例する出
力信号を供給するための増幅器４０と、連結されるよう
に適合されている。

【００２０】管１２および１５は例えば２４および５０
に示されているような外部導電性帯を有しており、それ
に対して異なる直流電圧が直流電圧源４４から抵抗器連
鎖４５を介して適用される。図面を簡単にするために、
２、３個だけの抵抗器を有する抵抗器連鎖４５が示され
ているが、実際には管１２および１５上の多数の導電性
帯によりさらに５、６個の抵抗器があるであろう。例え
ば導電性帯５０の数個と連結されている抵抗器Ｒ７およ
びＲ８の端部におけるタップが示されている。他方の帯
５０および帯２４は抵抗器連鎖４５上の他のタップと連
結されており、電池内で電場を形成しており、イオンを
電位計板３８に向かい加速させる。抵抗器連鎖４５の一
端は示されているように接地されているが、他端４６は
高電圧直流源４４、例えば３０００ボルト直流源、と連
結されている。

【００２１】イオン移動度検出器の基本的操作は、電池
１１中に試料入り口３０を介して試料気体を例えば空気
の如き担体気体と一緒に加えることを含んでいる。試料
は反応器領域１４に入り、そこでそれは放射活性物質２
３の帯によりイオン化される。生成したイオンは、抵抗
器連鎖４５の頂部端から高電圧が適用されている反発電
極２１によりドリフト領域１１に向かって反発される。
イオンは、抵抗器連鎖４５から管１５の外表面上の導電
性帯２４に適用される電圧により生じる電場により反応
器領域を通って加速される。イオンが管１２に入るとそ
れらは第二の反発器２０によりさらに推進される。

【００２２】反発器領域１４からドリフト領域１６への
イオンの加入は、二組の平行電線からなるゲートまたは
グリッド３５により調節されている。二組のゲート電線
はゲートが閉じられた時には第二の抵抗器連鎖５１中の
抵抗器Ｒ２を越えて連結されている導線５４および５５
を介してそれらに適用されている異なる電圧を有してい
る。抵抗器連鎖５１は直流電圧源４４と連結されて示さ
れているが、それを別個の直流電圧源、例えば２２００
Ｖ、と連結することもできる。抵抗器Ｒ１−Ｒ４の値
は、抵抗器連鎖５１が連結されている直流源の電圧に依
存して適切なゲート電位を与えるように選択される。ゲ
ートが閉じられた時には二組の電線の間の電圧差は例え
ば５０ボルトであることができ、導線５４に連結されて
いる電線は導線５５に連結されている電線より高い電圧
である。例えば、導線５４に連結されている第一組の電
線は典型的には２０００Ｖであるが、導線５５に連結さ
れている第二組の電線は１９５０Ｖであろう。

【００２３】ゲートを解放するためには、ゲート駆動回
路６０が二組の電線を一緒に短絡させ、その時点でそれ
らは両者とも２０００Ｖであり、イオンは反応器領域か
らドリフト領域に進むことができる。二組のゲート電線
が同じ電位にあるため、それは「解放ゲート電位」と称
されており、これは常に高い方の電位とすなわち図１中
の導線５４と連結されているゲート電線の電位であるこ
とがわかる。

【００２４】上記の如く、先行技術のＩＭＳ検出器は電
池の長さに沿って異なる電極のために必要な電圧を供給
するために１本の抵抗ラダーを使用していた。従って、
解放ゲート電位は電池の長さに沿っているゲートの物理
的位置または抵抗器ラダーへの少なくともそれの連結点
により決定されている。換言すると、解放ゲート電位は
特定検出器に関してあらかじめ決められている。しかし
ながら、これは必ずしもゲートに対して最適な電位でな
いことを私は結論を下した。電池内の電場線の計算機モ
デル化は、実験証拠と組み合わされると、ゲートに関す
る最適電位は典型的には予期された値より低いことを示
していた。

【００２５】「シミオン（ＳＩＭＩＯＮ）」（商標）と
称されているプログラムを用いる計算機モデル化が電場
線を三次元で観察可能にした。図１に示されている型の
電池中で使用されている導電性帯のモデルを使用して電
場線の地図を作成した。次にゲートの電位を変動させ、
そして各場合に関する焦点合わせ効率を測定した。これ
により、ゲートに関する最適な理論的電位が生成した。

【００２６】図２は、典型的な先行技術ＩＭＳ電池中の
等電位表面の地図である。ゲート電位は、ゲートが接合
している電池の反応およびドリフト領域の結合部のとこ
ろで生じる欠損値を仮定している。ＩＭＳ電池中の大気
圧におけるイオンはこれらの等電位表面に垂直に加速さ
れる。図２の領域１中の等電位表面はほぼ平行であるこ
とに注意すること。この領域を横切るイオンは非常に強
くは焦点合わせされていない。

【００２７】図１を再び参照すると、本発明に従う検出
器は一般的に６２で示されている外部ゲート駆動回路を
含んでいる。回路６２は電位計Ｒ５を含んでおり、それ
は調節可能であり、光−連結器６３中のＬＥＤの駆動回
路およびその結果として明色度を変える。光−連結器６
３中の光伝導性電池はそれの抵抗をＬＥＤの明色度によ
り１０００Ｍｅｇオームから１キロオームに変化させ
る。光伝導性電池のこの変動可能な抵抗はここでは抵抗
器Ｒ４として示されている抵抗器連鎖５１の一部と平行
している。光伝導性電池が１０００Ｍｅｇオームである
時には、ゲート電位は第一の電圧、例えば２２５０Ｖ、
に保たれている。光伝導性電池が１キロオームである時
には、抵抗器Ｒ５は有効に短絡され、そしてゲート電位
は第二の電圧、例えば１５００Ｖ、に低下する。

【００２８】図３は、最適電位に保たれているゲートを
有する本発明に従うＩＭＳ電池中の等電位表面の地図で
ある。領域１中の等電位表面は強い凹形であることに注
意すること。これが電池中のイオンの適切な焦点合わせ
をして、ドリフト領域中のゲートの直前において電池の
軸上でそれらの比較的高い濃度を与える。

【００２９】全ての先行技術ＩＭＳ電池中で見られる
（固定されたゲート電位による）最適でないイオン焦点
合わせは二つの重大な欠点を有している。第一は、充分
に焦点合わせされておらず従って電池の壁に衝突するイ
オンの損失量により信号強度が減少することである。第
二は、ドリフト管の下方に軸からはずれて走行する焦点
合わせが足りないイオンがイオン移動度スペクトル中に
拡大ピークを生じることである。これは、ドリフト管中
の軸からはずれて走行するイオンが揺動場を受けてそれ
が比較的長い走行路をもたらしそしてその結果として管
の中心を走行するこれらのイオンに関して比較的長い滞
在時間を与える。図３中の路程Ａ対図２中の路程Ｂを参
照のこと。

【００３０】図４は、ゲートの電位を自動的に最適値に
設定することのできる図１の回路の改変を示している。
図４では、光−連結器６３のＬＥＤは、必要ならＡ／Ｄ
転換器７３によりアナログ信号に転換された後に、計算
機７０の出力７１により調節される。計算機７０はま
た、出力７５を介して、ゲート駆動回路６０も調節して
いる。さらに、計算機７０はイオン移動度検出器の出力
も監視しており、それの３９における出力は４０で増幅
され、Ａ／Ｄ転換器７６によりデジタル信号に転換さ
れ、そして計算機７０の出力７８に供給される。計算機
７０はそれの出力７５により一時的にゲートをゲート駆
動回路６０に完全に解放し、そして次に検出器の出力を
監視しながらゲート電位をそれの出力７１により変動さ
せる。計算機が最適ゲート電位（最高の検出器出力電
流）が見いだされたことを感知した時に、計算機はゲー
ト駆動回路を解放してそれが正常操作を再開できるよう
にする。ゲート電位の最適化はイオン移動度検出器によ
り測定操作の前に決定できる。ゲート電位を電池の測定
出力電流に従い調節するため、温度変化による電池の操
作における変動は自動的に補われる。

【００３１】図１および４は、本発明の種々の改変の好
適態様が当技術の専門家に明きらかであることを示して
いる。例えば、電場部品が外部の代わりに電池壁の内表
面上にあってもよい。また、別個の変動可能な直流電圧
源を計算機により直接調節可能な源と共にゲート電位用
に使用することもできる。計算機はマイクロコンピュー
ターであってもよい。

【００３２】本発明の主なる特徴および態様は以下のと
おりである。

【００３３】１．試料気体および担体気体を受けるため
の入り口、試料気体からイオンを発生させるための反応
器領域、該反応器領域をドリフト領域から分離させてい
るゲート、および該ドリフト領域を横切っているイオン
を収集するための電位計板を有する適当な絶縁物質製の
管を含んでなる大気圧で操作可能なイオン移動度検出器
において、該反応領域および該ドリフト領域に該イオン
を加速させるための導電性の電場部品が備えられてお
り、該電場部品が第一の直流電圧手段と連結可能であり
そして該ゲートが調節可能な出力を有する第二の直流電
圧手段と連結可能であり、該検出器は該ゲートが開いて
いる時には該第二の直流電圧手段の該出力を変えて該検
出器中のイオンの焦点合わせを調節して該検出器の最適
操作を確実にさせるための手段を含んでいる、イオン移
動度検出器。

【００３４】２．該第一の直流電圧手段が第一の連鎖抵
抗器を含んでいる第一の電圧分配器を越えて連結されて
いる直流電圧源を含んでおり、隣接抵抗器間の電圧タッ
プが該電場部品と連結されている、上記１の検出器。

【００３５】３．該第二の直流電圧手段が第二の電圧分
配器を越えて連結されている直流電圧源を含んでおり、
該第二の電圧分配器上の電圧タップが該ゲートと連結さ
れている、上記２の検出器。

【００３６】４．該第二の直流電圧手段の該出力を変え
るための該手段が該第二の電圧分配器からの可変量の電
流を分岐させそれにより該第二の電圧分配器を越える電
圧を変えるための手段を含んでいる、上記３の検出器。

【００３７】５．電流を分岐させるための該手段がＬＥ
Ｄ入力および光伝導性電池出力を有する光−連結器を含
んでおり、該ＬＥＤ入力が該ＬＥＤ中の電流を変えるた
めの手段と連結されておりそして該出力が該第二の電圧
分配器の該部分を越えて連結されている、上記４の検出
器。

【００３８】６．電位計板のところで電流を監視しなが
ら、該ゲートを開きそして該ＬＥＤ中の電流を変えてそ
れにより解放ゲート上の電圧を変える手段を含む、上記
５の検出器。

【００３９】７．該ＬＥＤ中の電流を調節するためおよ
び該電位計板のところで電流を監視するための計算機手
段も含んでいる、上記６の検出器。

【００４０】８．該板のところで電流を監視するため、
該ゲートの開閉を調節するため、並びに該解放ゲート電
圧における変動を調節するための計算機を含んでおり、
該計算機が該解放ゲート電圧を変えながらゲートを解放
状態に保ちそして電流を該板のところで監視して該電流
を最大にさせている、上記５の検出器。

【００４１】９．該ＬＥＤ中の電流を変えることにより
該計算機が該解放ゲート電圧を変動させる、上記８の検
出器。

【００４２】１０．該ゲートと連結している該ゲート駆
動回路を調節することにより該計算機が該ゲートを開閉
する、上記９の検出器。

【００４３】１１．該電場部品が該管の表面上にある、
上記１０の検出器。

【００４４】１２．該表面が該管の外面上にある、上記
１１の検出器。

【００４５】１３．該第一および第二の直流電圧手段が
第一および第二の直流電圧源を含んでいる、上記１２の
検出器。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に従うイオン移動度検出器の図面
である。

【図２】図２は典型的な先行技術のイオン移動度検出器
の等電位表面の地図である。

【図３】図３は最適電位に保たれているゲートを有する
本発明に従うイオン移動度検出器の等電位表面の地図で
ある。

【図４】図４はそれによりゲート電位を自動的に最適値
に設定することのできる図１に示されている回路の改変
を示している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料気体および担体気体を受けるための
   入り口、試料気体からイオンを発生させるための反応器
   領域、該反応器領域をドリフト領域から分離させている
   ゲート、および該ドリフト領域を横切っているイオンを
   収集するための電位計板を有する適当な絶縁物質製の管
   を含んでなる大気圧で操作可能なイオン移動度検出器に
   おいて、該反応領域および該ドリフト領域に該イオンを
   加速させるための導電性の電場部品が備えられており、
   該電場部品が第一の直流電圧手段と連結可能でありそし
   て該ゲートが調節可能な出力を有する第二の直流電圧手
   段と連結可能であり、該検出器は該ゲートが開いている
   時には該第二の直流電圧手段の該出力を変えて該検出器
   中のイオンの焦点合わせを調節して該検出器の最適操作
   を確実にさせるための手段を含んでいる、イオン移動度
   検出器。