JPH06294772A - ガスサンプル中の選択イオン種の存在を信号で知らせる装置 - Google Patents
ガスサンプル中の選択イオン種の存在を信号で知らせる装置Info
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- JPH06294772A JPH06294772A JP4488394A JP4488394A JPH06294772A JP H06294772 A JPH06294772 A JP H06294772A JP 4488394 A JP4488394 A JP 4488394A JP 4488394 A JP4488394 A JP 4488394A JP H06294772 A JPH06294772 A JP H06294772A
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- pulse
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
- G01N27/622—Ion mobility spectrometry
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ガスサンプル中に選択イオン種が存在してい
ることを信号で知らせる手段を備えたイオン移動度セン
サを提供する。 【構成】 イオン移動度センサの第１の電極（１６）と
第２の電極（１８）の間に単方向性の電界を生じさせ
る。イオン化源（３５）がセンサ内にイオンを発生さ
せ、トリガ制御装置（４２）がイオンを、時刻ｔ1 に第
１と第２電極間のイオン化域（１２）に導入させる。イ
オンは時刻ｔ2 に第２電極（１８）に達する。トランス
インピーダンス増幅器（３８）がイオン電荷を電圧信号
に変換する。選択イオン種の存在は、時刻ｔ2 にトリガ
制御装置により動作状態にされる回路により判定され
る。増幅器（３８）の出力をＡ／Ｄ変換器（５６）に向
け、次にデジタル信号プロセッサ（５８）に向けること
によりイオン種を分析する。
ることを信号で知らせる手段を備えたイオン移動度セン
サを提供する。 【構成】 イオン移動度センサの第１の電極（１６）と
第２の電極（１８）の間に単方向性の電界を生じさせ
る。イオン化源（３５）がセンサ内にイオンを発生さ
せ、トリガ制御装置（４２）がイオンを、時刻ｔ1 に第
１と第２電極間のイオン化域（１２）に導入させる。イ
オンは時刻ｔ2 に第２電極（１８）に達する。トランス
インピーダンス増幅器（３８）がイオン電荷を電圧信号
に変換する。選択イオン種の存在は、時刻ｔ2 にトリガ
制御装置により動作状態にされる回路により判定され
る。増幅器（３８）の出力をＡ／Ｄ変換器（５６）に向
け、次にデジタル信号プロセッサ（５８）に向けること
によりイオン種を分析する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、多成分ガスサン
プルの成分濃度を定量的に測定するための装置に関し、
特に、ドリフト区域内におけるイオンの移動度に基づい
てかかる測定を実施する装置に関する。
プルの成分濃度を定量的に測定するための装置に関し、
特に、ドリフト区域内におけるイオンの移動度に基づい
てかかる測定を実施する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】イオン
移動度に関する分光学は、ガス環境の組成の定量測定を
行うための有力且つ周知の方法である。これに関連して
述べると、通常、イオン移動度センサは低い圧力状態で
動作するよう設計されている。ただし、原理的にはイオ
ン移動度センサはそれよりも高い、或いは低い圧力状態
でも動作できる。イオン移動度センサは一般に２つの識
別可能な区域、即ち、（ｉ）分析されるべきガスサンプ
ルを表わすイオンが生じるイオン化区域、（ｉｉ）イオ
ンを注入して捕集前に電界中をドリフトさせるドリフト
区域で構成されている。
移動度に関する分光学は、ガス環境の組成の定量測定を
行うための有力且つ周知の方法である。これに関連して
述べると、通常、イオン移動度センサは低い圧力状態で
動作するよう設計されている。ただし、原理的にはイオ
ン移動度センサはそれよりも高い、或いは低い圧力状態
でも動作できる。イオン移動度センサは一般に２つの識
別可能な区域、即ち、（ｉ）分析されるべきガスサンプ
ルを表わすイオンが生じるイオン化区域、（ｉｉ）イオ
ンを注入して捕集前に電界中をドリフトさせるドリフト
区域で構成されている。
【０００３】ドリフト区域内におけるイオンのドリフト
中、イオンはサンプルガスと多くの回数に亘って衝突を
起こし、電界中におけるそれらの挙動はイオン移動度に
よって特徴付けられる。イオン移動度はイオンの質量の
関数なので、互いに異なる質量のイオンはそれらのドリ
フト中に互いに分離する。かくして、コレクタにおける
イオン到達時間のスペクトルを測定することにより、ガ
スサンプル組成の特徴または識別特性が得られる。陽イ
オンスペクトルは全てのガス種について所定の識別特性
を生じさせるが、陰イオンスペクトル（電気陰性の種に
関するもの）のモニターも行うと、診断目的と校正目的
のうちいずれかに関する追加情報を得ることができる。
中、イオンはサンプルガスと多くの回数に亘って衝突を
起こし、電界中におけるそれらの挙動はイオン移動度に
よって特徴付けられる。イオン移動度はイオンの質量の
関数なので、互いに異なる質量のイオンはそれらのドリ
フト中に互いに分離する。かくして、コレクタにおける
イオン到達時間のスペクトルを測定することにより、ガ
スサンプル組成の特徴または識別特性が得られる。陽イ
オンスペクトルは全てのガス種について所定の識別特性
を生じさせるが、陰イオンスペクトル（電気陰性の種に
関するもの）のモニターも行うと、診断目的と校正目的
のうちいずれかに関する追加情報を得ることができる。
【０００４】現在市販されている機器では、イオン化区
域の寸法形状は大きさがドリフト区域のものと同等であ
る。イオンは主としてイオン分子反応により生じ、かか
る反応では、関心のある不純物分子は、必ずしもバック
グランドサンプルガスから誘導する必要はなく、むしろ
反応区域内に故意に導入されまくキャリヤーガスから誘
導される一次イオンとの衝突の結果、イオン化される。
これら一次イオンは、サンプル及び／またはキャリヤー
ガスと相互作用するＮｉ−６３放射線源から放出される
β粒子の衝突の結果として生じる。β粒子は連続的に生
じるので、イオン生成プロセスは連続的であり、イオン
化区域内に存在している種は比較的長期間にわたって得
られる平衡組成を示し、その平衡組成は、イオン分子化
学反応の結果として生じるイオンを含む（故意にキャリ
ヤーガスを用いた場合）。かくして、この平衡イオン
“海”中に存在するイオンを分析するためには、ドリフ
ト区域内へのイオンのパルスを抽出する手段を設ける必
要がある。これは、通常は電子シャッタを用いて達成さ
れ、この電子シャッタでは、適当な電位をシャッタ電極
に与えている間にイオンがドリフト区域内へ入るに過ぎ
ない。市販のセンサの検出限度は特定の種で決まり、空
気サンプル中の或る特定の有機分子については、１ｐｐ
ｂよりも低い各種レベルは予め濃縮を行うことなく大気
圧で検出されている。
域の寸法形状は大きさがドリフト区域のものと同等であ
る。イオンは主としてイオン分子反応により生じ、かか
る反応では、関心のある不純物分子は、必ずしもバック
グランドサンプルガスから誘導する必要はなく、むしろ
反応区域内に故意に導入されまくキャリヤーガスから誘
導される一次イオンとの衝突の結果、イオン化される。
これら一次イオンは、サンプル及び／またはキャリヤー
ガスと相互作用するＮｉ−６３放射線源から放出される
β粒子の衝突の結果として生じる。β粒子は連続的に生
じるので、イオン生成プロセスは連続的であり、イオン
化区域内に存在している種は比較的長期間にわたって得
られる平衡組成を示し、その平衡組成は、イオン分子化
学反応の結果として生じるイオンを含む（故意にキャリ
ヤーガスを用いた場合）。かくして、この平衡イオン
“海”中に存在するイオンを分析するためには、ドリフ
ト区域内へのイオンのパルスを抽出する手段を設ける必
要がある。これは、通常は電子シャッタを用いて達成さ
れ、この電子シャッタでは、適当な電位をシャッタ電極
に与えている間にイオンがドリフト区域内へ入るに過ぎ
ない。市販のセンサの検出限度は特定の種で決まり、空
気サンプル中の或る特定の有機分子については、１ｐｐ
ｂよりも低い各種レベルは予め濃縮を行うことなく大気
圧で検出されている。
【０００５】イオン移動度分光測定計は充分に実証され
た器具であるが、現時点で入手し得るモデルは比較的大
型で且つ高価であり、しかも校正及びイオン化効率の向
上のため補助ガス供給源を必要とする。加うるに、現在
のイオン移動度分光測定計は、連続状の非調節式イオン
化エネルギー源を利用している。イオン化エネルギー源
は代表的にはしばしば望ましくない場合の多い放射性を
もっている。現在、連続エネルギー源が用いられている
ので、全てのイオンのパルスをドリフト区域内に注入す
るのにシャッタが必要である。シャッタは一般に、イオ
ンをドリフト区域内に注入するシャッタ電圧が印加され
るグリッド電極である。
た器具であるが、現時点で入手し得るモデルは比較的大
型で且つ高価であり、しかも校正及びイオン化効率の向
上のため補助ガス供給源を必要とする。加うるに、現在
のイオン移動度分光測定計は、連続状の非調節式イオン
化エネルギー源を利用している。イオン化エネルギー源
は代表的にはしばしば望ましくない場合の多い放射性を
もっている。現在、連続エネルギー源が用いられている
ので、全てのイオンのパルスをドリフト区域内に注入す
るのにシャッタが必要である。シャッタは一般に、イオ
ンをドリフト区域内に注入するシャッタ電圧が印加され
るグリッド電極である。
【０００６】連続イオン化エネルギー源は一定であって
変更がきかない。かくして、複雑な分子がイオン化され
ているとき、これがエネルギーの充分な電子と相互作用
すると二種以上のイオン種が生じる場合がある。それに
より、分子はより小さな粒子に分離することになり、こ
れらより小さな粒子のうち幾つかはイオン化されること
になる。従って、現在のイオン化法ではイオン種の発生
方法の制御は殆どできない。
変更がきかない。かくして、複雑な分子がイオン化され
ているとき、これがエネルギーの充分な電子と相互作用
すると二種以上のイオン種が生じる場合がある。それに
より、分子はより小さな粒子に分離することになり、こ
れらより小さな粒子のうち幾つかはイオン化されること
になる。従って、現在のイオン化法ではイオン種の発生
方法の制御は殆どできない。
【０００７】また、モニターされるイオン種の濃度があ
る所定の値よりも高い場合に警報をトリガするための手
段を備えたイオン移動度センサを提供することが有利で
ある。また、一または二以上の互いに異なるイオン種の
測定を行う手段を提供することが有利である。
る所定の値よりも高い場合に警報をトリガするための手
段を備えたイオン移動度センサを提供することが有利で
ある。また、一または二以上の互いに異なるイオン種の
測定を行う手段を提供することが有利である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記に鑑みて、イオン移
動度センサは、イオン化区域及びイオンドリフト区域を
有する。イオン化区域は好ましくは、グリッドカソード
及びアノードによって境界付けられる。ガスサンプル
は、開放系では周囲への開放により、或いは閉鎖系では
供給管によりこのイオン化区域内に入る。陽イオンサン
プリングに関しては、イオンドリフト区域はグリッドカ
ソード及びガード（guarded)イオンコレクタによって境
界付けられる。イオンコレクタは電極及び関連シールド
からなる。その電極構成に適当な電位を与えると、名目
的に均一の電界Ｅi 及びＥd がイオン化区域とドリフト
区域内にそれぞれ生じる。
動度センサは、イオン化区域及びイオンドリフト区域を
有する。イオン化区域は好ましくは、グリッドカソード
及びアノードによって境界付けられる。ガスサンプル
は、開放系では周囲への開放により、或いは閉鎖系では
供給管によりこのイオン化区域内に入る。陽イオンサン
プリングに関しては、イオンドリフト区域はグリッドカ
ソード及びガード（guarded)イオンコレクタによって境
界付けられる。イオンコレクタは電極及び関連シールド
からなる。その電極構成に適当な電位を与えると、名目
的に均一の電界Ｅi 及びＥd がイオン化区域とドリフト
区域内にそれぞれ生じる。
【０００９】アノード、カソード及びコレクタ電極にＤ
Ｃ電圧を印加すると、センサ全体を横切って単方向性Ｄ
Ｃ電界が生じる。重畳された電圧パルスがアノードに表
われ、その結果ＤＣ破壊電界よりも強いが、振幅及び持
続時間が充分に小さな電界Ｅi がイオン化区域内に生じ
ることになり、それによりイオン化区域内における発弧
を防止する。
Ｃ電圧を印加すると、センサ全体を横切って単方向性Ｄ
Ｃ電界が生じる。重畳された電圧パルスがアノードに表
われ、その結果ＤＣ破壊電界よりも強いが、振幅及び持
続時間が充分に小さな電界Ｅi がイオン化区域内に生じ
ることになり、それによりイオン化区域内における発弧
を防止する。
【００１０】電圧パルスの印加中、フラッシュランプま
たは他のＵＶ源からの紫外線をパルスがカソードグリッ
ドを照射し、カソードグリッドから光電子のパルスが放
出される。好ましくは、アノードはＵＶ光に対し半透明
の形式のものであり、例えばグリッドアノードまたは半
透明導電性膜アノードである。アノードが半透明である
場合、ＵＶ光をアノードを通ってカソードに向けて照射
することができる。ＵＶパルスはカソードから光電子の
パルスを放出させ、このパルスはパルス化高電界の存在
のもとでは、カソードとアノードとの間にパルス化され
た非平衡放電を生じさせる。パルス化非平衡放電は、ア
ノードへの電子のドリフト中、サンプルガスとのイオン
化衝突の際に初期光電子のなだれ現象に起因して生じ、
アソードとアノードとの間の容積部内におけるサンプル
ガスの特徴を示すイオンのパルスを生じさせる。非平衡
放電は、電子の平均エネルギーがイオンまたは中性粒子
のものよりもかなり大きいということによって特徴付け
られる。電流の非常に激しい増加は主として、アノード
への電子のドリフト中における電子とサンプルガスとの
一次電離衝突によるだけでなく、励起され又はイオン化
された空気分子と複数の種との間の二次電離衝突によっ
ても生じる。大きな有機分子の場合、少数の種は比較的
小さなイオン化しきい値をもっている。
たは他のＵＶ源からの紫外線をパルスがカソードグリッ
ドを照射し、カソードグリッドから光電子のパルスが放
出される。好ましくは、アノードはＵＶ光に対し半透明
の形式のものであり、例えばグリッドアノードまたは半
透明導電性膜アノードである。アノードが半透明である
場合、ＵＶ光をアノードを通ってカソードに向けて照射
することができる。ＵＶパルスはカソードから光電子の
パルスを放出させ、このパルスはパルス化高電界の存在
のもとでは、カソードとアノードとの間にパルス化され
た非平衡放電を生じさせる。パルス化非平衡放電は、ア
ノードへの電子のドリフト中、サンプルガスとのイオン
化衝突の際に初期光電子のなだれ現象に起因して生じ、
アソードとアノードとの間の容積部内におけるサンプル
ガスの特徴を示すイオンのパルスを生じさせる。非平衡
放電は、電子の平均エネルギーがイオンまたは中性粒子
のものよりもかなり大きいということによって特徴付け
られる。電流の非常に激しい増加は主として、アノード
への電子のドリフト中における電子とサンプルガスとの
一次電離衝突によるだけでなく、励起され又はイオン化
された空気分子と複数の種との間の二次電離衝突によっ
ても生じる。大きな有機分子の場合、少数の種は比較的
小さなイオン化しきい値をもっている。
【００１１】生じた陽イオンパルスはカソードグリッド
に向ってドリフトし、イオンのうち一部はグリッドを通
ってドリフト電界区域内に入る。ドリフトを横切ってド
リフトした後、これら陽イオンはイオンコレクタによっ
て捕集される。このコレクタはドリフト区域から、局部
電界と一致する電位に保持された遮蔽ガードによって遮
蔽されているので、イオンは、かかるガードを通過した
後にのみコレクタのところで検出され、カソードとシー
ルドとの間の全てのイオン種の挙動に起因する変位電流
は、検出回路では観察されない。
に向ってドリフトし、イオンのうち一部はグリッドを通
ってドリフト電界区域内に入る。ドリフトを横切ってド
リフトした後、これら陽イオンはイオンコレクタによっ
て捕集される。このコレクタはドリフト区域から、局部
電界と一致する電位に保持された遮蔽ガードによって遮
蔽されているので、イオンは、かかるガードを通過した
後にのみコレクタのところで検出され、カソードとシー
ルドとの間の全てのイオン種の挙動に起因する変位電流
は、検出回路では観察されない。
【００１２】一般に、互いに異なるイオン種のドリフト
時間はイオン化区域内で生じた特定のイオンの電荷及び
質量で決まり、従って検出されたイオン信号は、各々異
なる種に対応する一連のパルスから成る。かくして、互
いに異なるイオンの移動度が既知であれば、検出器の信
号はガスサンプル中に存在する互いに異なる種の識別特
性となる。好ましいイオン移動度センサの電極は陽イオ
ンを捕集するよう構成されているが、電極の極性を逆に
すれば陰イオンを捕集できることは理解されよう。
時間はイオン化区域内で生じた特定のイオンの電荷及び
質量で決まり、従って検出されたイオン信号は、各々異
なる種に対応する一連のパルスから成る。かくして、互
いに異なるイオンの移動度が既知であれば、検出器の信
号はガスサンプル中に存在する互いに異なる種の識別特
性となる。好ましいイオン移動度センサの電極は陽イオ
ンを捕集するよう構成されているが、電極の極性を逆に
すれば陰イオンを捕集できることは理解されよう。
【００１３】イオンパルスが一旦電荷としてコレクタ電
極に受け取られると、イオンパルスはサンプルの特性を
評価するよう処理される。イオンパルスを処理する回路
はトリガ制御装置によって制御される。また、トリガ制
御装置はＵＶパルス源及びパルス化電源のタイミングを
制御し、従ってイオンパルスを表示する電気的なデータ
の処理が、コレクタ電極からのそのデータの受け入れと
一致するようになる。イオン移動度センサの第１の好ま
しい具体化例又は実施例は、特定のガスサンプル中の一
または二以上の随意的に可変の所定の種を検知する。第
１の具体化例では、サンプル中の監視される種の濃度が
ある所定値よりも高くなると警報がトリガされる。この
値は可変であり、監視されるべき互いに異なる種につい
て異なる。
極に受け取られると、イオンパルスはサンプルの特性を
評価するよう処理される。イオンパルスを処理する回路
はトリガ制御装置によって制御される。また、トリガ制
御装置はＵＶパルス源及びパルス化電源のタイミングを
制御し、従ってイオンパルスを表示する電気的なデータ
の処理が、コレクタ電極からのそのデータの受け入れと
一致するようになる。イオン移動度センサの第１の好ま
しい具体化例又は実施例は、特定のガスサンプル中の一
または二以上の随意的に可変の所定の種を検知する。第
１の具体化例では、サンプル中の監視される種の濃度が
ある所定値よりも高くなると警報がトリガされる。この
値は可変であり、監視されるべき互いに異なる種につい
て異なる。
【００１４】イオン移動度センサの第２の好ましい具体
化例又は実施例では、センサが一または二以上の互いに
異なる選択可能な種の広範囲に亘る測定に着いて定量的
なマイクロプロセッサ利用システムに組み込まれる。い
ずれの具体化例においても、トリガ制御装置は、センサ
内におけるイオンパルスの生成のタイミングを制御する
ために用いられる。また、トリガ制御装置は受け取られ
たイオンパルスを評価するための回路の動作を制御す
る。
化例又は実施例では、センサが一または二以上の互いに
異なる選択可能な種の広範囲に亘る測定に着いて定量的
なマイクロプロセッサ利用システムに組み込まれる。い
ずれの具体化例においても、トリガ制御装置は、センサ
内におけるイオンパルスの生成のタイミングを制御する
ために用いられる。また、トリガ制御装置は受け取られ
たイオンパルスを評価するための回路の動作を制御す
る。
【００１５】本発明のセンサは、多くの種々の環境中の
広範囲に亘る物質、例えば圧縮機及び他の構成部品の保
護のために冷媒系統中の不純物及び積載物保護を最適化
するために冷凍環境中における不純物を含む化学的及び
／または生物学的物質の存在を検出するよう応用でき
る。またセンサを用いると、コンテナ内及び身に付けて
いる非合法的な薬及び爆発物の存在を検出できる。気化
性燃料または他の爆発物が存在している領域と同様、有
毒物の貯蔵、作業場または廃棄場所をモニターできる。
また、麻酔手順もモニターできる。
広範囲に亘る物質、例えば圧縮機及び他の構成部品の保
護のために冷媒系統中の不純物及び積載物保護を最適化
するために冷凍環境中における不純物を含む化学的及び
／または生物学的物質の存在を検出するよう応用でき
る。またセンサを用いると、コンテナ内及び身に付けて
いる非合法的な薬及び爆発物の存在を検出できる。気化
性燃料または他の爆発物が存在している領域と同様、有
毒物の貯蔵、作業場または廃棄場所をモニターできる。
また、麻酔手順もモニターできる。
【００１６】本発明の他の構成上の細部、目的及び利点
は、以下に行う現時点での好ましい実施例の詳細な説明
を読むと明らかになろう。
は、以下に行う現時点での好ましい実施例の詳細な説明
を読むと明らかになろう。
【００１７】
【実施例】まず最初に図１を参照すると、イオン移動度
センサ１０は２つの互いに関連した区域、即ちイオン化
区域１２及びドリフト区域１４を有する。区域は、セン
サ１０の２つの区域１２，１４を構成する好ましい電極
構造を示している。イオン化区域１２は、電極１６及び
メッシュ又はグリッド又は格子状電極１８によって境界
付けられている。イオン化区域１２内へのガスサンプル
の導入の仕方は、センサ１０が開放系として構成されて
いるか閉鎖系として構成されているかで決まる。センサ
１０が開放系として構成されていれば、グリッド電極１
８と電極１６との間の領域は封じ込められておらず、周
囲ガスは自由にイオン化区域１２に入ることができる。
センサ１０が閉鎖系として構成されている場合には、セ
ンサ１０は電極１８と電極１６との間の領域を封じ込め
る壁を有することになる。かくして、閉鎖系では、周囲
ガスはイオン化区域１２に自由に入ることはできない。
この場合、分析されるべきガスサンプルを供給管３６
（図１に点線で示す）によりイオン化区域に導入しなけ
ればならない。
センサ１０は２つの互いに関連した区域、即ちイオン化
区域１２及びドリフト区域１４を有する。区域は、セン
サ１０の２つの区域１２，１４を構成する好ましい電極
構造を示している。イオン化区域１２は、電極１６及び
メッシュ又はグリッド又は格子状電極１８によって境界
付けられている。イオン化区域１２内へのガスサンプル
の導入の仕方は、センサ１０が開放系として構成されて
いるか閉鎖系として構成されているかで決まる。センサ
１０が開放系として構成されていれば、グリッド電極１
８と電極１６との間の領域は封じ込められておらず、周
囲ガスは自由にイオン化区域１２に入ることができる。
センサ１０が閉鎖系として構成されている場合には、セ
ンサ１０は電極１８と電極１６との間の領域を封じ込め
る壁を有することになる。かくして、閉鎖系では、周囲
ガスはイオン化区域１２に自由に入ることはできない。
この場合、分析されるべきガスサンプルを供給管３６
（図１に点線で示す）によりイオン化区域に導入しなけ
ればならない。
【００１８】ガスサンプルは電極１６と電極１８との間
のイオン化区域１２に導入される。電極グリッド１８は
イオン化区域１２をドリフト区域１４から区分し、かく
してドリフト区域１４の一方の端部を構成する。遮蔽コ
レクタ電極２０は、電極１８と反対側のドリフト区域１
４の端部を構成する。ドリフト区域１４は好ましくは、
これに対するイオンの出入りを防止するよう壁によって
境界付けられるが、そのようにしなければならないとい
う事ではない。メッシュ遮蔽電極（以下、「シールド」
という場合がある）２２が好ましくはコレクタ電極２０
に隣接した状態でコレクタ電極２０と電極１８との間に
位置している。
のイオン化区域１２に導入される。電極グリッド１８は
イオン化区域１２をドリフト区域１４から区分し、かく
してドリフト区域１４の一方の端部を構成する。遮蔽コ
レクタ電極２０は、電極１８と反対側のドリフト区域１
４の端部を構成する。ドリフト区域１４は好ましくは、
これに対するイオンの出入りを防止するよう壁によって
境界付けられるが、そのようにしなければならないとい
う事ではない。メッシュ遮蔽電極（以下、「シールド」
という場合がある）２２が好ましくはコレクタ電極２０
に隣接した状態でコレクタ電極２０と電極１８との間に
位置している。
【００１９】適当な電位を上記電極構成に与えると、セ
ンサ１０内に電界が生じる。陽イオンのサンプリングに
関しては、図２に示すような電源３２によりＤＣ電圧３
０をアノード１６、カソード１８及び遮蔽コレクタ電極
２０，２２に印加する。かくして、電源３２により、ア
ノード１６は電圧Ｖa を有し，カソード１８はＶc を有
し、イオンコレクタ構成部品（コレクタ電極２０及びシ
ールド２２）は電圧Ｖicを有している。電圧３０の印加
によりセンサ１０の中に単方向性ＤＣドリフト電界Ｅd
が生じることになる。ドリフト電界Ｅd はイオンをイオ
ン化区域１２からドリフト区域１４を通ってコレクタ電
極２０まで運ぶことができる。一般に、互いに異なるイ
オン種のドリフト時間は、イオン化区域内で生じる特定
のイオンの電荷及び質量で決まる。電界Ｅd の強さは、
電子分子間の衝突の結果としてドリフト区域内にイオン
が生じないようにするほど弱い。
ンサ１０内に電界が生じる。陽イオンのサンプリングに
関しては、図２に示すような電源３２によりＤＣ電圧３
０をアノード１６、カソード１８及び遮蔽コレクタ電極
２０，２２に印加する。かくして、電源３２により、ア
ノード１６は電圧Ｖa を有し，カソード１８はＶc を有
し、イオンコレクタ構成部品（コレクタ電極２０及びシ
ールド２２）は電圧Ｖicを有している。電圧３０の印加
によりセンサ１０の中に単方向性ＤＣドリフト電界Ｅd
が生じることになる。ドリフト電界Ｅd はイオンをイオ
ン化区域１２からドリフト区域１４を通ってコレクタ電
極２０まで運ぶことができる。一般に、互いに異なるイ
オン種のドリフト時間は、イオン化区域内で生じる特定
のイオンの電荷及び質量で決まる。電界Ｅd の強さは、
電子分子間の衝突の結果としてドリフト区域内にイオン
が生じないようにするほど弱い。
【００２０】インパルス発生器２８からの電圧パルス２
６（図２では点線で示す）は、アノード１６でドリフト
電圧３０に重畳される。高電圧パルス２６の重畳によ
り、図２においてＶa ＋Ｖp で示されるような総アノー
ド電圧が得られることになる。アノード１６において印
加された電圧の増加により、アノード１６とカソード１
８との間のイオン化区域１２内に電界Ｅi が生じること
となる。電圧パルス２６の振幅は選択可能であるが、発
生した電界Ｅi の強さがガスサンプルのイオン化ＤＣ破
壊電界よりも強いが、この区域におけるアークの発生を
回避するよう充分に振幅が小さく且つ持続時間の短いも
のであるよう選択される。パルス化電圧２６の印加によ
り、アノード１６の電位がアノード１６のＤＣ電位３０
と電圧パルス２６の合計に等しいことになる。
６（図２では点線で示す）は、アノード１６でドリフト
電圧３０に重畳される。高電圧パルス２６の重畳によ
り、図２においてＶa ＋Ｖp で示されるような総アノー
ド電圧が得られることになる。アノード１６において印
加された電圧の増加により、アノード１６とカソード１
８との間のイオン化区域１２内に電界Ｅi が生じること
となる。電圧パルス２６の振幅は選択可能であるが、発
生した電界Ｅi の強さがガスサンプルのイオン化ＤＣ破
壊電界よりも強いが、この区域におけるアークの発生を
回避するよう充分に振幅が小さく且つ持続時間の短いも
のであるよう選択される。パルス化電圧２６の印加によ
り、アノード１６の電位がアノード１６のＤＣ電位３０
と電圧パルス２６の合計に等しいことになる。
【００２１】電圧パルス２６の印加中、適当なＵＶ源２
５、例えばキセノンフラッシュランプからの紫外線のパ
ルス２４がカソードグリッド１８を照射する。ＵＶパル
スの強さは選択可能であり、イオン化区域１２のカソー
ドから放出される光電子の数を決める。好ましくはアノ
ード１６は、ＵＶ光に対して半透明な形式のものであ
り、例えば半透明導電膜アノードまたは好ましくはグリ
ッドアノードである。アノード１６が半透明である場合
ＵＶ光パルス２４をアノード１６を通ってカソードグリ
ッド１８の方へ差し向けることができる。アノード１６
を通って照射させることにより、ＵＶパルス２４をカソ
ード１８のフェースに差し向け、それでいてＵＶ源２５
をイオン化区域１２の外部に配置することができる。
５、例えばキセノンフラッシュランプからの紫外線のパ
ルス２４がカソードグリッド１８を照射する。ＵＶパル
スの強さは選択可能であり、イオン化区域１２のカソー
ドから放出される光電子の数を決める。好ましくはアノ
ード１６は、ＵＶ光に対して半透明な形式のものであ
り、例えば半透明導電膜アノードまたは好ましくはグリ
ッドアノードである。アノード１６が半透明である場合
ＵＶ光パルス２４をアノード１６を通ってカソードグリ
ッド１８の方へ差し向けることができる。アノード１６
を通って照射させることにより、ＵＶパルス２４をカソ
ード１８のフェースに差し向け、それでいてＵＶ源２５
をイオン化区域１２の外部に配置することができる。
【００２２】ＵＶパルス２４がカソードグリッド１８に
達すると、ＵＶ光２４はカソード１８から光電子のパル
スを放出する。ＵＶパルスの強さが強ければ強いほどそ
れだけ一層多量の電子が放出される。次に電子はアノー
ド１６に向ってドリフトし、電子をなだれ現象のように
発生させることができる。電圧パルス２６は、カソード
１８から放出される電子の平均エネルギーをイオン化レ
ベルよりも高くし、非平衡放電状態を生じさせる。非平
衡放電状態では、電子はこれよりも重い粒子、即ちイオ
ン及び中性の粒子よりも非常に高いエネルギー状態にあ
り、その結果イオン化が生じる。
達すると、ＵＶ光２４はカソード１８から光電子のパル
スを放出する。ＵＶパルスの強さが強ければ強いほどそ
れだけ一層多量の電子が放出される。次に電子はアノー
ド１６に向ってドリフトし、電子をなだれ現象のように
発生させることができる。電圧パルス２６は、カソード
１８から放出される電子の平均エネルギーをイオン化レ
ベルよりも高くし、非平衡放電状態を生じさせる。非平
衡放電状態では、電子はこれよりも重い粒子、即ちイオ
ン及び中性の粒子よりも非常に高いエネルギー状態にあ
り、その結果イオン化が生じる。
【００２３】開示したイオン移動度センサ１０はパルス
状のイオン源を備えているので、シャッタが不要であ
る。電子がアノード１６に向って移動している間、陽イ
オンはカソードグリッド１８に向って移動する。カソー
ド１８はグリッドなので、グリッドの中実部分の間には
隙間がある。カソード１８の中実部分に達するイオンは
捕集される。カソードグリッド１８内の隙間に達するイ
オンはドリフト電界Ｅdにより隙間を通って運ばれるこ
とになろう。陽イオンがカソード１８に到達する時点で
は電圧パルス２６はオフ状態であり、安定ＤＣドリフト
電界Ｅd はイオンを運ぶ。
状のイオン源を備えているので、シャッタが不要であ
る。電子がアノード１６に向って移動している間、陽イ
オンはカソードグリッド１８に向って移動する。カソー
ド１８はグリッドなので、グリッドの中実部分の間には
隙間がある。カソード１８の中実部分に達するイオンは
捕集される。カソードグリッド１８内の隙間に達するイ
オンはドリフト電界Ｅdにより隙間を通って運ばれるこ
とになろう。陽イオンがカソード１８に到達する時点で
は電圧パルス２６はオフ状態であり、安定ＤＣドリフト
電界Ｅd はイオンを運ぶ。
【００２４】アノード１６、カソード１８及び遮蔽電極
２２は好ましくはグリッドなのでＵＶパルス２４はアノ
ード１６、カソード１８、遮蔽電極２２及びコレクタ電
極２０を照射する。アノード１６から放出された光電子
は、印加電界Ｅi によりアノードから出るのが防止され
る。しかしながら、遮蔽電極２２及びコレクタ電極２０
から放出される光電子は、カソード１８に向って印加さ
れたドリフト電界Ｅd内でドリフトし始める。電気陰性
の種が存在していない用途では、これら電子は（これら
はドリフト速度が高いので）、電圧パルス２６の照射
中、カソード１８に到達し、それによりカソード１８か
らの光放出を増強する。電気陰性が高い用途（例えば空
気）では、遮蔽電極２２及びコレクタ電極２０から放出
される電子はドリフト区域の非常に僅かな部分をドリフ
トした後、互いに付着して陰イオンを形成するようにな
る。その理由は、印加されるドリフト電界Ｅd が弱い場
合には酸素中の三体付着係数が大きいからである。この
場合、遮蔽電極２２及びコレクタ電極２０から生じるイ
オン化区域１２に到達する負の電荷は電圧パルス２６の
持続時間終了後、相当な時間そうなる。いずれの場合に
おいても、負の電荷は陰イオンの形態で到達し、従って
スプリアスイオン化パルスを生じさせることはできな
い。
２２は好ましくはグリッドなのでＵＶパルス２４はアノ
ード１６、カソード１８、遮蔽電極２２及びコレクタ電
極２０を照射する。アノード１６から放出された光電子
は、印加電界Ｅi によりアノードから出るのが防止され
る。しかしながら、遮蔽電極２２及びコレクタ電極２０
から放出される光電子は、カソード１８に向って印加さ
れたドリフト電界Ｅd内でドリフトし始める。電気陰性
の種が存在していない用途では、これら電子は（これら
はドリフト速度が高いので）、電圧パルス２６の照射
中、カソード１８に到達し、それによりカソード１８か
らの光放出を増強する。電気陰性が高い用途（例えば空
気）では、遮蔽電極２２及びコレクタ電極２０から放出
される電子はドリフト区域の非常に僅かな部分をドリフ
トした後、互いに付着して陰イオンを形成するようにな
る。その理由は、印加されるドリフト電界Ｅd が弱い場
合には酸素中の三体付着係数が大きいからである。この
場合、遮蔽電極２２及びコレクタ電極２０から生じるイ
オン化区域１２に到達する負の電荷は電圧パルス２６の
持続時間終了後、相当な時間そうなる。いずれの場合に
おいても、負の電荷は陰イオンの形態で到達し、従って
スプリアスイオン化パルスを生じさせることはできな
い。
【００２５】イオン化電界Ｅi の増強により電子の平均
エネルギーが増大し、従ってイオン化の量が増える。し
かしながら、かる電子分布のばらつきにより、互いに異
なるフラグメントイオンの結果として、混合物中の互い
に異なる出発分子又は親分子、或いは同一の分子から誘
導される互いに異なるイオン化種の付着係数の比が変わ
る。互いに異なる中性ガス成分におけるイオン化の確率
を自由に設定できることは、本発明のイオン移動度セン
サ１０の重要な特徴である。かくしてイオン化区域１２
内の電界Ｅi を故意に変化させることにより、互いに異
なるイオン化しきい値を有するイオンのイオン化確率を
変化させることができる。比較的低いエネルギーを電圧
パルス２６に与えることにより、イオン化にとって最小
のエネルギーを必要とするイオンがイオン化することに
なる。電圧パルス２６の値を大きくし、従ってイオン化
電界Ｅi の強さを増強することにより、所与の分子の一
層高いイオン化レベルに達し、互いに異なるイオンに接
近する。これにより、センサ１０の動作中、サンプルか
らの選択イオン種のイオン化を可能にする副次的なイオ
ン識別手段が得られる。
エネルギーが増大し、従ってイオン化の量が増える。し
かしながら、かる電子分布のばらつきにより、互いに異
なるフラグメントイオンの結果として、混合物中の互い
に異なる出発分子又は親分子、或いは同一の分子から誘
導される互いに異なるイオン化種の付着係数の比が変わ
る。互いに異なる中性ガス成分におけるイオン化の確率
を自由に設定できることは、本発明のイオン移動度セン
サ１０の重要な特徴である。かくしてイオン化区域１２
内の電界Ｅi を故意に変化させることにより、互いに異
なるイオン化しきい値を有するイオンのイオン化確率を
変化させることができる。比較的低いエネルギーを電圧
パルス２６に与えることにより、イオン化にとって最小
のエネルギーを必要とするイオンがイオン化することに
なる。電圧パルス２６の値を大きくし、従ってイオン化
電界Ｅi の強さを増強することにより、所与の分子の一
層高いイオン化レベルに達し、互いに異なるイオンに接
近する。これにより、センサ１０の動作中、サンプルか
らの選択イオン種のイオン化を可能にする副次的なイオ
ン識別手段が得られる。
【００２６】非平衡放電状態では、電子は、発生したイ
オンをバックグランドガスのいずれかのうちより重い粒
子よりもエネルギーが高いものである。イオンは熱エネ
ルギー状態にあり、それらのエネルギーはバックグラン
ド温度で決まる。イオン化区域１２内の電子の平均エネ
ルギーは、アノード１６とカソード１８の間の電界Ｅi
をイオン化区域１２の総ガス密度で割った比だけで定ま
る。従って、電子の平均エネルギーを、アノード１６に
印加された電圧パルス２６の振幅を調節することによっ
て調節できる。また、カソード１８から放出される電子
の数は各パルス２４中で放出されるＵＶ光の量で決ま
る。ガスサンプルに対して生じるイオン化の量は、電圧
パルス２６により生じたＥi の強さで決まる。かくし
て、ＵＶパルスの振幅と電圧パルスの振幅の両方を独立
制御することにより、イオン化の量及び程度を効果的に
制御することができる。
オンをバックグランドガスのいずれかのうちより重い粒
子よりもエネルギーが高いものである。イオンは熱エネ
ルギー状態にあり、それらのエネルギーはバックグラン
ド温度で決まる。イオン化区域１２内の電子の平均エネ
ルギーは、アノード１６とカソード１８の間の電界Ｅi
をイオン化区域１２の総ガス密度で割った比だけで定ま
る。従って、電子の平均エネルギーを、アノード１６に
印加された電圧パルス２６の振幅を調節することによっ
て調節できる。また、カソード１８から放出される電子
の数は各パルス２４中で放出されるＵＶ光の量で決ま
る。ガスサンプルに対して生じるイオン化の量は、電圧
パルス２６により生じたＥi の強さで決まる。かくし
て、ＵＶパルスの振幅と電圧パルスの振幅の両方を独立
制御することにより、イオン化の量及び程度を効果的に
制御することができる。
【００２７】シールド電極２２は好ましくは、これと関
連していて、ドリフト電界Ｅd を均一に保つ電位を有す
るメッシュまたはグリッドプレートである。コレクタ電
極２０は、ドリフト電界Ｅd の均一性を保持するほぼ地
電位で動作する。シールド２２は誘導電荷の動きを検出
することからコレクタ電極２０を保護し、この誘導電荷
はもしそうでなければコレクタ電極２０に表われる。さ
もなければ、コレクタ電極２０は、定電流を検出し、こ
の定電流は段階的に（この段階は、特定のイオンの種の
捕集に相当する）減少することになる。
連していて、ドリフト電界Ｅd を均一に保つ電位を有す
るメッシュまたはグリッドプレートである。コレクタ電
極２０は、ドリフト電界Ｅd の均一性を保持するほぼ地
電位で動作する。シールド２２は誘導電荷の動きを検出
することからコレクタ電極２０を保護し、この誘導電荷
はもしそうでなければコレクタ電極２０に表われる。さ
もなければ、コレクタ電極２０は、定電流を検出し、こ
の定電流は段階的に（この段階は、特定のイオンの種の
捕集に相当する）減少することになる。
【００２８】かくして、フィールド２２は電流を効果的
に識別し、コレクタ電極２０のところでは信号が検出さ
れず、電荷がシールド２２を通過するようになる。かく
して、コレクタ電極２０は一連の電気パルスを検出し、
これらのうちの各パルスは、イオンの一定の種に起因す
る電流である。従って、もし互いに異なる種の移動度が
既知であれば、コレクタ電極２０の所で捕集されたパル
スは、サンプルガス中に存在する互いに異なる種の特徴
またはサインを生じさせる。
に識別し、コレクタ電極２０のところでは信号が検出さ
れず、電荷がシールド２２を通過するようになる。かく
して、コレクタ電極２０は一連の電気パルスを検出し、
これらのうちの各パルスは、イオンの一定の種に起因す
る電流である。従って、もし互いに異なる種の移動度が
既知であれば、コレクタ電極２０の所で捕集されたパル
スは、サンプルガス中に存在する互いに異なる種の特徴
またはサインを生じさせる。
【００２９】コレクタ電極２０には、コレクタ電極に到
達するイオンによって生じる電流を検出測定するための
手段３４が接続されている。かかる手段として、トラン
スインピーダンス増幅器をコレクタ電極に接続する。ト
ランスインピーダンス増幅器は、到来するイオンの電荷
を電圧信号に変換する。
達するイオンによって生じる電流を検出測定するための
手段３４が接続されている。かかる手段として、トラン
スインピーダンス増幅器をコレクタ電極に接続する。ト
ランスインピーダンス増幅器は、到来するイオンの電荷
を電圧信号に変換する。
【００３０】好ましいイオン移動度センサの電極は陽イ
オンを捕集するよう構成されているが、電極の極性を逆
にして陰イオンを捕集することができるようにしても良
いことは理解されよう。
オンを捕集するよう構成されているが、電極の極性を逆
にして陰イオンを捕集することができるようにしても良
いことは理解されよう。
【００３１】陰イオンの捕集に関しては、電位分布は図
３に示されているようなものであり、図３においては電
極１６は今や、イオン化区域１２のカソードであり、電
極１８はそのアノードになる。図３に示すように電源３
２から負極性の電位を印加すると、アノード１８に−Ｖ
a の電圧が生じ、カソード１６には−Ｖc の電圧が生じ
ることとなり、センサ中に単方向性ＤＣ電界が生ずるこ
ととなる。インパルス発生器２８からの負極性の電圧パ
ルス２７（図３に点線で示す）が、電極１６の電圧に重
畳され、その結果図３において−Ｖa −Ｖp で示される
総カソード電圧が生じることになる。電圧パルス２７の
印加中に、ＵＶパルスによる照射の結果としてカソード
１６から放出された光電子パルスは、イオン化区域を構
成する電極１６，１８の間の非平衡放電をトリガする。
次に、イオン化区域内で生じた陰イオンは電極１８に向
ってドリフトし、これらの一部は引き続き、ＤＣドリフ
ト電界の影響のもとにメッシュアノード１８を通ってド
リフトし、ドリフト区域に入る。一旦ドリフト区域内に
入ると、陰イオンはコレクタ電極に向ってドリフトし続
け、最終的には陽イオンについて先に説明したのと同様
の方法でサンプリングされる。イオン化区域内に非平衡
放電を生じさせることにより、親分子による電子捕獲に
よるだけでなく解離付着プロセスにより生ずる陰イオン
の生成が確保される。
３に示されているようなものであり、図３においては電
極１６は今や、イオン化区域１２のカソードであり、電
極１８はそのアノードになる。図３に示すように電源３
２から負極性の電位を印加すると、アノード１８に−Ｖ
a の電圧が生じ、カソード１６には−Ｖc の電圧が生じ
ることとなり、センサ中に単方向性ＤＣ電界が生ずるこ
ととなる。インパルス発生器２８からの負極性の電圧パ
ルス２７（図３に点線で示す）が、電極１６の電圧に重
畳され、その結果図３において−Ｖa −Ｖp で示される
総カソード電圧が生じることになる。電圧パルス２７の
印加中に、ＵＶパルスによる照射の結果としてカソード
１６から放出された光電子パルスは、イオン化区域を構
成する電極１６，１８の間の非平衡放電をトリガする。
次に、イオン化区域内で生じた陰イオンは電極１８に向
ってドリフトし、これらの一部は引き続き、ＤＣドリフ
ト電界の影響のもとにメッシュアノード１８を通ってド
リフトし、ドリフト区域に入る。一旦ドリフト区域内に
入ると、陰イオンはコレクタ電極に向ってドリフトし続
け、最終的には陽イオンについて先に説明したのと同様
の方法でサンプリングされる。イオン化区域内に非平衡
放電を生じさせることにより、親分子による電子捕獲に
よるだけでなく解離付着プロセスにより生ずる陰イオン
の生成が確保される。
【００３２】次に図４を参照すると、イオン移動度セン
サの略図が示されており、ここでは第１の好ましい具体
化例である警報システムが用いられている。電気陰性サ
ンプル中で電極は単一の陽イオン種を電気陰性サンプル
中でモニターする場合について構成されている。ただ
し、上述したように、電極の極性を逆にして陰イオン種
をモニターするようにしても良い。正のＤＣ電圧を、ア
ノード１６からコレクタ電極２０への単方向性の、ほぼ
均一の電界を生じさせるための適当な電位で電極１６，
１８，２０，２２に印加する。ドリフトＥd 内の電界の
値はアノード１６とコレクタ電極２０との間で２本がサ
ンプルガスと熱平衡状態になるようにするようなもので
ある。ドリフト区域の前後に接続されたコンデンサが、
ドリフト区域内に一定の電界Ｅd を維持するよう用いら
れる。
サの略図が示されており、ここでは第１の好ましい具体
化例である警報システムが用いられている。電気陰性サ
ンプル中で電極は単一の陽イオン種を電気陰性サンプル
中でモニターする場合について構成されている。ただ
し、上述したように、電極の極性を逆にして陰イオン種
をモニターするようにしても良い。正のＤＣ電圧を、ア
ノード１６からコレクタ電極２０への単方向性の、ほぼ
均一の電界を生じさせるための適当な電位で電極１６，
１８，２０，２２に印加する。ドリフトＥd 内の電界の
値はアノード１６とコレクタ電極２０との間で２本がサ
ンプルガスと熱平衡状態になるようにするようなもので
ある。ドリフト区域の前後に接続されたコンデンサが、
ドリフト区域内に一定の電界Ｅd を維持するよう用いら
れる。
【００３３】電圧パルス２６は、トリガ制御装置４２に
よってトリガされる高電圧パルサ２８、例えばパルス変
成器からアノード１６に容量結合されている。電圧パル
ス２６の振幅は、サンプルガス密度ｎに対するアノード
１６とカソード１８との間の全電界強さの割合が、測定
中、特定のサンプルについてのイオン化しきい値よりも
大きいほど充分に大きい。ＤＣとパルス振幅の両方は可
変である。
よってトリガされる高電圧パルサ２８、例えばパルス変
成器からアノード１６に容量結合されている。電圧パル
ス２６の振幅は、サンプルガス密度ｎに対するアノード
１６とカソード１８との間の全電界強さの割合が、測定
中、特定のサンプルについてのイオン化しきい値よりも
大きいほど充分に大きい。ＤＣとパルス振幅の両方は可
変である。
【００３４】ＵＶランプパルサ４８がトリガ制御装置４
２からのパルスによってトリガされ、ＵＶランプパルサ
４８がトリガ制御装置４２からのパルスによってトリガ
され、ＵＶ光源２５（これは例えば、ＵＶ伝送窓を備え
たキセノンフラッシュランプであるのが良い）に駆動電
力を与える。その結果生じたＵＶパルスは、図５のタイ
ミングダイアグラムに示すようにアノード電圧パルスに
対して遅れると共にアノードエンベロープパルス持続時
間またはパルス幅内に入るようアレンジされる。アノー
ド１８にＵＶパルスが入射すると、電圧パルス２６の減
衰の際に自己消滅するパルス状の電荷が生じる。電圧パ
ルス２６の振幅及び時間幅と共に電圧パルス２６に対す
るＵＶパルス２４の相対的な位置も、放電が生じて発弧
しないような限度内で所定の感度について最適のイオン
放電強度が得られるよう調節される。
２からのパルスによってトリガされ、ＵＶランプパルサ
４８がトリガ制御装置４２からのパルスによってトリガ
され、ＵＶ光源２５（これは例えば、ＵＶ伝送窓を備え
たキセノンフラッシュランプであるのが良い）に駆動電
力を与える。その結果生じたＵＶパルスは、図５のタイ
ミングダイアグラムに示すようにアノード電圧パルスに
対して遅れると共にアノードエンベロープパルス持続時
間またはパルス幅内に入るようアレンジされる。アノー
ド１８にＵＶパルスが入射すると、電圧パルス２６の減
衰の際に自己消滅するパルス状の電荷が生じる。電圧パ
ルス２６の振幅及び時間幅と共に電圧パルス２６に対す
るＵＶパルス２４の相対的な位置も、放電が生じて発弧
しないような限度内で所定の感度について最適のイオン
放電強度が得られるよう調節される。
【００３５】電極は、第１及び第２のトランスインピー
ダンス増幅器３８，４０に結合されている。第１のトラ
ンスインピーダンス増幅器３８は陽イオン種の測定のた
めにコレクタ電極２０に結合されている。
ダンス増幅器３８，４０に結合されている。第１のトラ
ンスインピーダンス増幅器３８は陽イオン種の測定のた
めにコレクタ電極２０に結合されている。
【００３６】第１のトランスインピーダンス増幅器３８
からの出力は、検出された信号がきょていレベルよりも
高いと標準の論理パルスを生じさせる比較器セット４４
に送られる。かくして、比較器４４からの出力は一連の
論理パルスから成り、これら論理パルスは、その振幅が
所定レベルよりも大きい場合、コレクタ電極２０への互
いに異なる陽イオン種のパルスの到着に一致する。次
に、比較器４４からの出力をＡＮＤゲート４６の一方の
入力に与える。ＡＮＤゲート４６の他方の入力は、ＵＶ
パルストリガ制御装置４８の動作後の所定の時刻に論理
パルスを出力する遅延発生器５０に接続されている。こ
の所定の時刻は、モニターされる陰イオン種の既知の移
動時間に対応している。かくして、両方のパルスがＡＮ
Ｄゲート４６で一致すると、出力がＡＮＤゲート４６か
ら得られ、かかる出力は適当な警報装置５４をトリガす
るのに用いることができる。
からの出力は、検出された信号がきょていレベルよりも
高いと標準の論理パルスを生じさせる比較器セット４４
に送られる。かくして、比較器４４からの出力は一連の
論理パルスから成り、これら論理パルスは、その振幅が
所定レベルよりも大きい場合、コレクタ電極２０への互
いに異なる陽イオン種のパルスの到着に一致する。次
に、比較器４４からの出力をＡＮＤゲート４６の一方の
入力に与える。ＡＮＤゲート４６の他方の入力は、ＵＶ
パルストリガ制御装置４８の動作後の所定の時刻に論理
パルスを出力する遅延発生器５０に接続されている。こ
の所定の時刻は、モニターされる陰イオン種の既知の移
動時間に対応している。かくして、両方のパルスがＡＮ
Ｄゲート４６で一致すると、出力がＡＮＤゲート４６か
ら得られ、かかる出力は適当な警報装置５４をトリガす
るのに用いることができる。
【００３７】イオン移動度センサの第１の好ましい実施
例の変形例が図６に示されている。この変形例では、ｎ
（複数）個のイオン種の同時モニターが行われ、ここで
はこれらイオン種のレベルが互いに異なる所定レベルよ
りも大きい場合に互いに異なるイオン種が警報装置をト
リガする。ｎ＝４の場合についてのこのシステムの例が
図６に示されている。第１のトランスインピーダンス増
幅器３８からの出力は、個々の警報制限レベルが設定さ
れている４つの互いに異なる比較器６２，６４，６６，
６８に向けられる。各比較器６２，６４，６６，６８は
それぞれのＡＮＤゲート７０，７２，７４，７６の入力
を送る。遅延発生器８６，８８，９０，９２はそれぞれ
のＡＮＤゲート７０，７２，７４，７６のもう１つの入
力を送る。遅延発生器８６，８８，９０，９２は一つの
遅延発生器ユニットの一部であっても良く、或いは図４
の遅延発生器５０と類似した別個のユニットであっても
良い。各ＡＮＤゲートは、比較器からのパルスが一致し
て到着したときに警報パルスを放出し、また互いに異な
るイオン種の特定の移動時間に対応する遅延発生器から
の適当に遅れたパルスを放出するよう設定されている。
変形例として、図６に示すチャンネルのうちの１つを用
いて、大多数のサンプルのイオン特性を検出することに
より試験信号を生じさせても良く、このイオン特性は、
少数の不純物にもかかわらず常時存在するはずである。
例の変形例が図６に示されている。この変形例では、ｎ
（複数）個のイオン種の同時モニターが行われ、ここで
はこれらイオン種のレベルが互いに異なる所定レベルよ
りも大きい場合に互いに異なるイオン種が警報装置をト
リガする。ｎ＝４の場合についてのこのシステムの例が
図６に示されている。第１のトランスインピーダンス増
幅器３８からの出力は、個々の警報制限レベルが設定さ
れている４つの互いに異なる比較器６２，６４，６６，
６８に向けられる。各比較器６２，６４，６６，６８は
それぞれのＡＮＤゲート７０，７２，７４，７６の入力
を送る。遅延発生器８６，８８，９０，９２はそれぞれ
のＡＮＤゲート７０，７２，７４，７６のもう１つの入
力を送る。遅延発生器８６，８８，９０，９２は一つの
遅延発生器ユニットの一部であっても良く、或いは図４
の遅延発生器５０と類似した別個のユニットであっても
良い。各ＡＮＤゲートは、比較器からのパルスが一致し
て到着したときに警報パルスを放出し、また互いに異な
るイオン種の特定の移動時間に対応する遅延発生器から
の適当に遅れたパルスを放出するよう設定されている。
変形例として、図６に示すチャンネルのうちの１つを用
いて、大多数のサンプルのイオン特性を検出することに
より試験信号を生じさせても良く、このイオン特性は、
少数の不純物にもかかわらず常時存在するはずである。
【００３８】第１の実施例のもう一つの変形例は、図７
に示す警報システムである。この変形例では、警報信号
は、例えば同一または関連の不純物分子に由来する多く
の互いに異なるイオン種（４つのイオン種が図７に示さ
れている）が検出された場合にのみ出力される。この構
成では、比較器６２，６４，６６，６８及び遅延発生器
８６，８８，９０，９２にそれぞれ続く個々のＡＮＤゲ
ート７０，７２，７４，７６からの出力は、適当な遅延
をマルチ入力ＡＮＤゲート７８に送られる。これらの遅
延８０，８２，８４は基準種以外の全てに加えられ、こ
れら遅延は特定のイオン種の互いに異なる既知の移動時
間を補償するようなものであり、従ってマルチ入力ＡＮ
Ｄゲート７８への全ての入力信号が同時に到着するよう
になる。これを行うには、これら基準種の信号に、基準
イオン種の遅延からそのイオン種の遅延を引いたものに
等しい遅延を加えるのが良い。例えば、比較器６８で事
前設定されたイオン種が基準種であって遅れ（移動時
間）ｔ4 を有する場合、遅れｔ1 を有する比較器６２の
イオン種は、ｔ4 −ｔ1 （図７では８０として示されて
いる）に等しい遅延がこれに加えられる。この遅延をｔ
1 に加えると、比較器６２のイオン種についての総遅れ
はｔ1 ＋（ｔ4 −ｔ1 ）、つまりｔ4 である。また、こ
の段階は、比較器６４，６６のイオン種について実施さ
れる。かくして、比較器６８のイオン種が基準種である
場合については、全てのイオン種は同一の時間ｔ4 だけ
遅れることになろう。最も長い移動時間を有するイオン
種を基準種として検定することが好ましい。マルチ入力
ＡＮＤゲート７８への４つの全ての入力信号が同時に到
達すると、出力警報パルスがトリガされる。このシステ
ムは関連のないイオン種からの妨害の恐れに起因する誤
った警報の発生を少なくするのに組み込まれる。
に示す警報システムである。この変形例では、警報信号
は、例えば同一または関連の不純物分子に由来する多く
の互いに異なるイオン種（４つのイオン種が図７に示さ
れている）が検出された場合にのみ出力される。この構
成では、比較器６２，６４，６６，６８及び遅延発生器
８６，８８，９０，９２にそれぞれ続く個々のＡＮＤゲ
ート７０，７２，７４，７６からの出力は、適当な遅延
をマルチ入力ＡＮＤゲート７８に送られる。これらの遅
延８０，８２，８４は基準種以外の全てに加えられ、こ
れら遅延は特定のイオン種の互いに異なる既知の移動時
間を補償するようなものであり、従ってマルチ入力ＡＮ
Ｄゲート７８への全ての入力信号が同時に到着するよう
になる。これを行うには、これら基準種の信号に、基準
イオン種の遅延からそのイオン種の遅延を引いたものに
等しい遅延を加えるのが良い。例えば、比較器６８で事
前設定されたイオン種が基準種であって遅れ（移動時
間）ｔ4 を有する場合、遅れｔ1 を有する比較器６２の
イオン種は、ｔ4 −ｔ1 （図７では８０として示されて
いる）に等しい遅延がこれに加えられる。この遅延をｔ
1 に加えると、比較器６２のイオン種についての総遅れ
はｔ1 ＋（ｔ4 −ｔ1 ）、つまりｔ4 である。また、こ
の段階は、比較器６４，６６のイオン種について実施さ
れる。かくして、比較器６８のイオン種が基準種である
場合については、全てのイオン種は同一の時間ｔ4 だけ
遅れることになろう。最も長い移動時間を有するイオン
種を基準種として検定することが好ましい。マルチ入力
ＡＮＤゲート７８への４つの全ての入力信号が同時に到
達すると、出力警報パルスがトリガされる。このシステ
ムは関連のないイオン種からの妨害の恐れに起因する誤
った警報の発生を少なくするのに組み込まれる。
【００３９】図７に示す変形例では、センサーの制御
は、構内接続でも、例えばスイッチの切替えにより遠隔
接続でも良い。後者の遠隔接続の場合、制御信号を、従
来型ケーブル、光ファイバーケーブル、ＲＦ遠隔測定装
置或いはセンサー環境の特定の性質に応じて任意の従来
型手段によって伝送できる。図６及び図７の変形例で
は、４つの互いに異なるイオン種につき４つの比較器の
例を説明したが、使用する比較器の数及びモニターする
イオン種の数は４に限定されず、任意の数で良いことは
明確に理解されよう。
は、構内接続でも、例えばスイッチの切替えにより遠隔
接続でも良い。後者の遠隔接続の場合、制御信号を、従
来型ケーブル、光ファイバーケーブル、ＲＦ遠隔測定装
置或いはセンサー環境の特定の性質に応じて任意の従来
型手段によって伝送できる。図６及び図７の変形例で
は、４つの互いに異なるイオン種につき４つの比較器の
例を説明したが、使用する比較器の数及びモニターする
イオン種の数は４に限定されず、任意の数で良いことは
明確に理解されよう。
【００４０】第２の好ましい具体化例又は実施例が図８
に示されている。この実施例では、センサーは、一また
は二以上の互いに異なるプログラム可能な種の広範囲に
亘る測定のための定量的マイクロプロセッサ利用システ
ムに組み込まれている。この実施例の電子装置構成は、
比較器及びＡＮＤゲートに代えてアナログ−デジタル変
換器（Ａ／Ｄコンバータ）５６及び一種のマイクロプロ
セッサ５８を用いている点を除いては、図４に示す実施
例と同一である。
に示されている。この実施例では、センサーは、一また
は二以上の互いに異なるプログラム可能な種の広範囲に
亘る測定のための定量的マイクロプロセッサ利用システ
ムに組み込まれている。この実施例の電子装置構成は、
比較器及びＡＮＤゲートに代えてアナログ−デジタル変
換器（Ａ／Ｄコンバータ）５６及び一種のマイクロプロ
セッサ５８を用いている点を除いては、図４に示す実施
例と同一である。
【００４１】イオン化のトリガに加えて、トリガ制御装
置４２はＡ／Ｄ変換器をトリガしてデータの受取りを開
始させる。するとＡ／Ｄ変換器５６は第１のトランスイ
ンピーダンス増幅器３８から出力電圧を受取りこれをデ
ジタル化する。次に、デジタル化信号はデジタル信号プ
ロセッサー５８で処理される。信号の処理においては、
種々のイオン種を表示する記憶装置６０内のルックアッ
プテーブルを用いる。次に、捕集されたイオンから得ら
れるデジタル化信号をルックアップテーブルの値と比較
する。この比較により、サンプル内にどのような種が存
在しているか及びどれほどの量存在しているかを求める
ことができる。
置４２はＡ／Ｄ変換器をトリガしてデータの受取りを開
始させる。するとＡ／Ｄ変換器５６は第１のトランスイ
ンピーダンス増幅器３８から出力電圧を受取りこれをデ
ジタル化する。次に、デジタル化信号はデジタル信号プ
ロセッサー５８で処理される。信号の処理においては、
種々のイオン種を表示する記憶装置６０内のルックアッ
プテーブルを用いる。次に、捕集されたイオンから得ら
れるデジタル化信号をルックアップテーブルの値と比較
する。この比較により、サンプル内にどのような種が存
在しているか及びどれほどの量存在しているかを求める
ことができる。
【００４２】電圧パルス及ぶＵＶパルス源は、電圧パル
ス及びＵＶ光パルスを繰り返しパルス化するよう動作で
きることが好ましい。また、デジタル信号プロセッサ及
び記憶装置が協働してＡ／Ｄ変換器からのデジタル出力
を記憶し、イオン信号の信号平均化を行いそれによりＳ
Ｎ比を改善することが好ましい。
ス及びＵＶ光パルスを繰り返しパルス化するよう動作で
きることが好ましい。また、デジタル信号プロセッサ及
び記憶装置が協働してＡ／Ｄ変換器からのデジタル出力
を記憶し、イオン信号の信号平均化を行いそれによりＳ
Ｎ比を改善することが好ましい。
【００４３】上述の具体化例は好ましいイオン移動度セ
ンサに限定されず、イオン化区域及びコレクタ電極を備
えた任意のイオン移動度センサにも利用できることは理
解されよう。その代わりとしてパルス状イオン化手段を
用いないイオン移動度センサは、連続イオン化源３５
（図４及び図８に点線で示す）、例えばＮｉ−６３を利
用する場合が多い。連続イオン化手段を用いるセンサは
代表的には、イオンをパルス状でドリフト区域内に注入
する電極１８であるのが良いシャッタ電極を用いる。こ
の種のセンサでは、トリガ制御装置は電圧及びＵＶパル
サではなくて、シャッタ電極をトリガする。しかしなが
ら、他の点においては具体化例は上述のパルス化される
イオン化の場合と実質的に同一に動作する。かくして、
選択されたイオン化手段の形式または電極の分極に係わ
らず、イオン種を定量的且つ定性的にモニターできる。
現時点で好ましい本発明の実施例を図示説明したが、本
発明はこれらに限定されず、特許請求の範囲の記載の事
項の範囲内で種々の変形例を想到できることは理解され
るべきである。
ンサに限定されず、イオン化区域及びコレクタ電極を備
えた任意のイオン移動度センサにも利用できることは理
解されよう。その代わりとしてパルス状イオン化手段を
用いないイオン移動度センサは、連続イオン化源３５
（図４及び図８に点線で示す）、例えばＮｉ−６３を利
用する場合が多い。連続イオン化手段を用いるセンサは
代表的には、イオンをパルス状でドリフト区域内に注入
する電極１８であるのが良いシャッタ電極を用いる。こ
の種のセンサでは、トリガ制御装置は電圧及びＵＶパル
サではなくて、シャッタ電極をトリガする。しかしなが
ら、他の点においては具体化例は上述のパルス化される
イオン化の場合と実質的に同一に動作する。かくして、
選択されたイオン化手段の形式または電極の分極に係わ
らず、イオン種を定量的且つ定性的にモニターできる。
現時点で好ましい本発明の実施例を図示説明したが、本
発明はこれらに限定されず、特許請求の範囲の記載の事
項の範囲内で種々の変形例を想到できることは理解され
るべきである。
【００４４】
【図１】陽イオンサンプリングのための好ましいイオン
移動度センサの電極構成の略図である。
移動度センサの電極構成の略図である。
【図２】好ましいイオン移動度センサの電位分布の略図
である。
である。
【図３】陰イオンサンプリングのための好ましいイオン
移動度センサの電位分布の略図である。
移動度センサの電位分布の略図である。
【図４】陰イオンイオン移動度センサの第１の好ましい
具体化例の警報回路の略図である。
具体化例の警報回路の略図である。
【図５】イオン移動度センサの第１の好ましい具体化例
の警報信号のタイミングの略図である。
の警報信号のタイミングの略図である。
【図６】イオン移動度センサの第１の好ましい具体化例
の変形例としての警報回路の略図である。
の変形例としての警報回路の略図である。
【図７】イオン移動度センサの第１の好ましい具体化例
のもう１つの変形例の警報回路の略図である。
のもう１つの変形例の警報回路の略図である。
【図８】イオン移動度センサの第２の好ましい具体化例
の回路の略図である。
の回路の略図である。
１０ イオン移動度センサ １２ イオン化区域 １４ ドリフト区域 １６ 第１電極またはアノード １８ グリッド電極またはカソード ２０ コレクタ電極 ２２ シールド ２４ ＵＶ光パルス ３２ 電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン マイケル ゾンプ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 15642 ノースハンティンドン ヘディリ ンドライブ 1523
Claims (9)
- 【請求項１】 イオン移動度センサのガスサンプル中の
選択イオン種の存在を信号で知らせる装置において、第
１の電極、第２の電極及び中間グリッド電極が選択され
た距離互いに隔置され、中間電極は第１電極と第２電極
の間に位置し、電圧を生じさせる電位が前記電極に与え
られて前記電極間に単方向性電界を生じさせ、前記セン
サ内にイオンを生じさせるためのイオン化源が中間電極
に近接して位置し、イオンを時刻ｔ1 において中間電極
のところで中間電極と第２電極との間の区域に入れるこ
とができるようにするトリガ制御装置が、第１電極とイ
オン化源のうち少なくとも一方に接続され、イオンは電
界を通ってドリフトして第２電極へ時刻ｔ2 に到達し、
イオン電荷を電圧信号に変換するためのトランスインピ
ーダンス増幅器が第２電極に接続され、選択イオン種の
存在を判定するための分析器が設けられ、分析器は時刻
ｔ2 にトリガ制御装置によって起動されることを特徴と
する装置。 - 【請求項２】 イオン化源は、ＵＶ光のパルスを第１電
極と中間電極のうち一方へ差し向けるためのＵＶ光源
と、ＵＶ光パルスと一致する電圧パルスを第１電極に印
加するための電源とから成ることを特徴とする請求項１
の装置。 - 【請求項３】 ＵＶ光源はキセノンフラッシュランプで
あることを特徴とする請求項２の装置。 - 【請求項４】 電源はパルス変成器であることを特徴と
する請求項２の装置。 - 【請求項５】 分析器は、トランスインピーダンス増幅
器に接続されていて、電圧信号をデジタル単位に変換す
るアナログ−デジタル変換器及びデジタル単位を処理す
るためのデジタル信号プロセッサを含むことを特徴とす
る請求項１の装置。 - 【請求項６】 処理されたデジタル単位を記憶するため
の記憶ユニットをさらに有することを特徴とする請求項
５の装置。 - 【請求項７】 トランスインピーダンス増幅器から電圧
信号を受け取る少なくとも一つの比較器セットを更に有
し、少なくとも一つの比較器セットは各々、電圧信号が
所定値を越えると選択イオン種を表示する論理パルスを
それぞれ発生することを特徴とする請求項１の装置。 - 【請求項８】 遅延発生器がトリガ制御装置に接続され
ており、遅延発生器は選択された数の論理パルスを発生
し、各論理パルスはそれぞれのイオン種を表示し、各論
理パルスは、イオン化源の起動後、中間電極から第２電
極までのそのイオン種の移動時間を表示する時刻に得ら
れ、さらに少なくとも一つのＡＮＤゲートが設けられ、
少なくとも一つのＡＮＤゲートは各々、第１及び第２の
入力と出力とを有し、少なくとも一つのＡＮＤゲートの
各々の第１入力は選択イオン種の論理パルスを受け取る
ようそれぞれの比較器セットに接続され、第２入力は選
択イオン種に対応する遅延発生器の論理パルスを受け取
るよう遅延発生器に接続され、遅延発生器の論理パルス
と比較器セットの論理パルスが少なくとも一つのＡＮＤ
ゲートのうちいずれかで一致する場合にはいつでも、信
号がＡＮＤゲートの出力から出力されることを特徴とす
る請求項７のセンサ。 - 【請求項９】 マルチ入力ＡＮＤゲートが設けられ、マ
ルチ入力ＡＮＤゲートの各入力には遅延後、少なくとも
一つのＡＮＤゲートの出力から信号が入れられ、それに
より入力に信号が一致して到達するようにし、マルチ入
力ＡＮＤゲートの各入力が信号を受け取ると、信号がマ
ルチ入力ＡＮＤゲートの出力から出力されるようになる
ことを特徴とする請求項８の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/019,051 US5371364A (en) | 1993-02-18 | 1993-02-18 | Practical implementations for ion mobility sensor |
| US019051 | 1993-02-18 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06294772A true JPH06294772A (ja) | 1994-10-21 |
Family
ID=21791179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4488394A Withdrawn JPH06294772A (ja) | 1993-02-18 | 1994-02-18 | ガスサンプル中の選択イオン種の存在を信号で知らせる装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5371364A (ja) |
| EP (1) | EP0616213A3 (ja) |
| JP (1) | JPH06294772A (ja) |
| SG (1) | SG50725A1 (ja) |
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| JP2003098153A (ja) * | 2001-09-27 | 2003-04-03 | Yokogawa Electric Corp | 光イオン化検出器 |
| JP2006507508A (ja) * | 2002-09-25 | 2006-03-02 | ユーティー−バッテル，エルエルシー | 小型イオン移動度分光計用のパルス放電イオン源 |
| JP2011514968A (ja) * | 2008-03-10 | 2011-05-12 | エアセンス アナリティクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 飛行機の内部空間におけるガスの検出及び同定のための、方法及び装置 |
| JP2012526362A (ja) * | 2009-05-06 | 2012-10-25 | ブルックス オートメーション インコーポレイテッド | 静電型イオントラップ |
| AU2010317326B2 (en) * | 2009-11-11 | 2013-02-14 | Mitsubishi Electric Corporation | Air conditioner |
| AU2010363489B2 (en) * | 2010-11-04 | 2015-05-07 | Mitsubishi Electric Corporation | Air conditioner |
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| GB9901764D0 (en) * | 1999-01-28 | 1999-03-17 | Secr Defence | Fire detection method |
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| US6627878B1 (en) * | 2000-07-11 | 2003-09-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | (Chemical agent) point detection system (IPDS) employing dual ion mobility spectrometers |
| US20060266102A1 (en) * | 2005-05-25 | 2006-11-30 | Tolliver Charlie L | System, apparatus and method for detecting unknown chemical compounds |
| GB0622689D0 (en) * | 2006-11-14 | 2006-12-27 | Thermo Electron Bremen Gmbh | Method of operating a multi-reflection ion trap |
| JP4862738B2 (ja) * | 2007-05-08 | 2012-01-25 | 株式会社日立製作所 | イオン移動度分析装置およびイオン移動度分離／質量分析複合装置 |
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- 1994-02-16 SG SG1996009730A patent/SG50725A1/en unknown
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- 1994-02-18 JP JP4488394A patent/JPH06294772A/ja not_active Withdrawn
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