JPH0854373A - イオン移動度分光計 - Google Patents

イオン移動度分光計

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JPH0854373A
JPH0854373A JP10574095A JP10574095A JPH0854373A JP H0854373 A JPH0854373 A JP H0854373A JP 10574095 A JP10574095 A JP 10574095A JP 10574095 A JP10574095 A JP 10574095A JP H0854373 A JPH0854373 A JP H0854373A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】広範囲のイオンの種類に亘って拡張されたダイ
ナミックレンジを備え得るガス分析器を提供する。 【構成】イオン移動度分光計１０は、中に配設された分
析器１２を備えたハウジング１１を有する。分析器１２
は、好ましくは形状が円筒状である第一及び第二の縦方
向に隔置された電極２１，２２を含む。電極の間の空間
は、キャリアガスのソースと連通した分析ギャップ２５
を形成する。β放出器又はコロナ放電等のイオン化ソー
スが、分析ギャップ２５と試料媒体ソースの間に併置さ
れ、イオンがギャップ内に入るためのイオン孔２９を含
む。分光計１０は、イオンを測定するためのイオン検出
器４０を含む。分析ギャップ２５内をキャリアガスが流
れる際に、横向きの電場を生成する第一の直流電位及び
第二の周期的非対称電位を印加するために、電気制御装
置５０が第一２１及び第二の電極２２に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオン移動度分光測定
法と、特に微量レベルの種類の量的及び質的分析を可能
にするイオン移動度分光計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】イオン移動度分光測定法（Ion Mobility
Spectrometry）（「ＩＭＳ」という）は、一般に、質
的分析手段としてよく知られている。基本的に、ＩＭＳ
は、加えられる静電場内で、大気圧のガス中をドリフト
するために要する時間差によって、イオンを分離する。
試料ガスのみ又はキャリアガスと結合した試料ガスが、
イオン化ソース例えばβ線放射器を含むイオン化領域内
に向けられ、ドリフト領域内に加速されて、そこでイオ
ンの質量、電荷及び大きさに基づいて分離される。これ
らのイオンは、その後電位計アンプのような検出器によ
って記録される。ＩＭＳ装置の重要な変形は、イオン化
ゾーンとイオン検出領域との間に分析領域を備えるため
に、二つの電極を使用する横向き電場補正ＩＭＳ装置で
ある。上記分析領域は、ある種のイオンが分析領域を横
切って電位計のような検出器に達するように、電位の選
択された組合せに設定される。
【０００３】特に興味深いのは、質的分析のためのイオ
ン分離を提供するために横向き電場ＩＭＳを使用する、
ロシアの発明者証第９６６５８３号である。改良された
分離は、固定された電気極性である分析領域に交流非対
称電場を加えることにより、達成される。これに説明さ
れるように、イオン速度Ｖd、イオン移動度ｋ及び電場
の強さＥは、Ｖd＝ｋ×Ｅにより関係付けられる。イオ
ン移動度ｋは、ｋiが調査中のイオンの種類に基づく係
数であるとき、以下の方程式 ｋ＝ｋ0＋ｋ2Ｅ2＋ｋ4Ｅ4＋．．．（１） により表わされる。分析領域に非対称交流電場を加える
ことにより、Ｔを電場の周期、ｔを現在時、Ｅ＝０のと
きのｋ0をイオン移動度とするとき、平均ドリフト速度
は、
【数２】 になる。非対称交流電場内にて、式(２)から、平均ドリ
フト速度が、式(１)により与えられるｋに対する展開式
の二次及びそれより高次の項に依存することがわかる。
発明者は、Ｅ+、Ｅ―がそれぞれ正の極性及び負の極性
を表わすとき、Ｅ+／Ｅ―＝２である場合に、最大ドリ
フト速度が達成され得ることを開示している。
【０００４】インターナショナル・ジャーナル・オブ・
マス・スペクトロメトリー・アンド・イオン・プロセシ
ズ（International Journal of Mass Spectrometry and
IonProcesses）の１２８号（１９９３年刊）の１４３
〜１４８ページには、高周波電場を使用する濃厚な空気
ガス媒体中のイオン分離方法が開示されている。開示さ
れた方法は、高周波（２ＭＨｚ）の非対称電場の使用と
異なる構成の装置を除いて、発明者証第９６６５８３号
の開示に基づく。上記文書は、第三アミンのしきい値検
出が、３×１０―11から３×１０―10ｇ／リッターであ
るガス空気混合体内の微量のアミンを検出するための方
法を開示している。分析によるスペクトルを記録する時
間は１０秒である。開示された装置は、携帯可能なガス
分析器として製造できることが説明されている。
【０００５】他の装置も提案されている。例えば、米国
特許第３６９９３３３号明細書は、イオン形成領域及び
検出領域の間に位置するドリフト領域にイオン分子反応
を使用する微量ガスの分類検出方法及び装置を開示して
いる。米国特許第３９３５４５２号明細書は、４重極移
動度分光計を説明している。この装置は、その間に双極
電場が加えられる４重極電極の間に向けられるガス及び
イオンが混合されたキャリアガスを使用する。
【０００６】更に、最近では、イオン移動度計測器のた
めの検出可能性の下限における改良が報告されている。
米国特許第５２１８２０３号明細書は、試料ガスがドリ
フト領域に入ることを制限し、ドリフト領域への試料ガ
スイオンを限定する装置が開示されている。この装置
は、好ましくは、大気圧以上で動作する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、広範囲のイオンの種類に亘って、拡張されたダイナ
ミックレンジを備えられるガス分析器を提供することに
ある。本発明の他の目的は、分離の第二及び第三の手段
を備えるＩＭＳ分析器を提供することにある。また、本
発明の目的は、携帯可能に製造でき、約１０―11ｇ／リ
ッターのしきい値感度で空気中の微量レベルの種類を検
出できるイオン分光計を提供することにあなる。また、
本発明の目的は、実際のソースから１０ｃｍ以上まで離
れた距離での種類の分析を提供することにある。本発明
の他の目的は、検出が非常に低いしきい値限度で所望さ
れる薬物、爆発性又は他の化学薬品の遠隔検出用分析器
を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】一般的に、本発明は、約
１０―11ｇ／リッターの範囲での種類の検出のために携
帯可能な形式で構成できるイオン移動度分光計を提供す
る。好適な実施例では、本発明は、第一の試料媒体入口
と媒体出口を有するハウジングを含む。第二の入口即ち
キャリアガスのソースもハウジングに備えられる。多く
の場合、試料媒体はガス又は蒸気であるが、蛋白質、ウ
ィルス、有機ポリマー等の固体も試料にできる。好まし
くは出口に取り付けられた小さなポンプによって、第一
の入口及び出口から試料ガスの分光計への出入りが可能
となる。この構成は、分光計が爆薬又は薬剤の検出に使
用する小型の携帯可能な検出器として使用される場合に
特に有用である。
【０００９】ハウジング内には、第一及び第二の隔置さ
れた電極から成る分析器が配設される。電極は、好まし
くは、ガス流に対して縦方向にあって分析ギャップを形
成する。分析ギャップは、分光計が扁平であるか円筒状
であるかに基づいて、平行な又は同心状に配設された電
極によって形成される。分析ギャップは、再循環ループ
からの第二の入口即ちキャリアガスのソースに直接連通
する。イオン出口が、分析ギャップの第二の入口と反対
側の端部に配設される。
【００１０】
【作用】イオン化ソースは、試料媒体入口及び分析ギャ
ップと並列に配設される。イオン化ソースにより作られ
たイオンが分析ギャップ内に好ましくは電場の作用のも
とで移動できるように、イオン化ソースと分析ギャップ
の間を連絡するために、イオン孔は開口を形成する。好
適な実施例では、非イオン化試料媒体のギャップへの侵
入を排除するために、少量のキャリアガスは、上記孔を
通って分析ギャップから離れるように促進される。イオ
ン化装置は、β放出器、光イオン化装置、コロナ放電イ
オン化装置、電子噴射器又は熱イオン化装置でもよい。
イオンキッカー（又はイオン化ソースから分析ギャップ
内へのイオン移動に加えられるべき電場を供給するため
の装置）は上記孔に隣接して配設される。イオンキッカ
ーは、第三の電極でもよく、またイオン化構造体の一部
であってもよい。
【００１１】本発明では、第一及び第二の電極に第一及
び第二の電位を加えるために、電気制御装置は第一及び
第二の電極に接続される。通常イオン化ソースである第
三の電極はイオン孔に近接して配設され、電気制御装置
に接続される。第一の電位差は、第一の及び第二の電極
間に発生されかつ一定又は徐々に変化する一方向に補正
する電位（以下、補正電圧という）である。この電位差
の極性は、検出すべき種類に基づく。第一の電位に直列
である第二の電位は、第一の及び第二の電極の間に加え
られる非対称周期的電位である。第一及び第二の電位
は、分析ギャップ内のイオンの横向きの振動を引き起こ
す。ギャップの全長を横切るイオンは、検出及び測定の
ためにイオン出口を通って外に出る。
【００１２】イオン検出器はイオン出口に隣接して配設
され、好ましくは出口に隣接して配設された集電極板を
含む。分析ギャップを出たイオンは集電極板上で検出さ
れ測定される。特別の種類の検出が求められる場合に
は、所望の種類の検出による信号を発生するために、バ
イアスをかけられた集電極板を電位計アンプに接続でき
る。他方、種類の存在の検出に本発明を使用する場合に
は、記録装置に接続されたとき、補正電圧に対するイオ
ン電流の記録（以下、イオノグラムという）が集電極板
の出力から得られる。好適な実施例の分光計は、携帯性
又は取扱いを容易にするために、非常に小型で軽量のハ
ウジング内に収められる。より重要なことには、補正及
び非対称周期的電位の制御は、分離に関する管理制御を
提供し、装置のダイナミックレンジを拡大するために、
イオンキッカーのバイアスを使用できる。
【００１３】
【実施例】本発明の他の利点は、添付の図面に関連した
好適な実施例の以下の詳細な説明により、明らかにな
る。以下、本発明によるイオン移動度分光計の実施例を
図１〜図８について説明する。図１に示すように、本発
明の横向きイオン移動度分光計１０は、好ましくはシー
ルドのため又はコモン電位を受ける、アルミニウム、し
んちゅう、金属コーティングを備えたレクサン（Lexa
n）（登録商標）等の軽量材料から作られたハウジング
１１を含む。好適な実施例では、ハウジング１１は直径
約６５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの円筒状である。ハウジン
グ１１内には、それぞれ支持部材１３及び１４によって
同心状に支持された分析器１２が配設される。本発明の
一実施例では、分析器１２は平坦であり、他の好適な実
施例では円筒状である。支持部材１３及び１４は、テフ
ロン（Teflon）（登録商標）、セラミック又は同様の堅
い材料等の絶縁材料から作られる。
【００１４】ハウジング１１は、第一及び第二の入口１
６及び１７と、それぞれ出口１８及び１９を含む。第一
の入口及び出口１９は、分析すべき種類を搬送し及び／
又は希釈するために、乾燥空気等のキャリアガスのソー
スと連通する。多くの場合、キャリアガスは、ハウジン
グ１１の外側に位置するが、分光計が携帯可能な場合に
は、入口１６と出口１９との間の閉鎖ループが、その間
に備えられた瀘過媒体と共に構成できる。後者の場合に
は、ハウジングに対するただ一つの入口及び出口が必要
とされる。入口１７は、試料とされる媒体のソースに接
続される。このようなソースは、検出及び分析のための
試料を得るために、ハウジング１１と入口１７に可撓性
を有するように取り付けられたプローブを含む。好まし
くは、試料とされるガスを入口１７及び分析器１２をと
介して引くために、少なくとも一つのポンプが出口１８
に接続される。図示しないが、ポンプは分析器１２内に
僅かな負圧を発生できる渦巻き式、ダイヤフラム式、真
空式等のポンプであってもよい。携帯可能な構成では、
ポンプは、小型の再充電可能な電池（図示せず）により
給電される。
【００１５】分析器１２は、それぞれ支持部材１３及び
１４の間に延び、これらにより支持される第一の電極２
１を含む。第二の電極２２は支持部２３及び２４によっ
て第一の電極２１内で同心状に正確に整列される。平坦
な構成では、電極２１及び２２は互いに平行の関係に隔
置された伸長された平板である。円筒状の分析器では、
電極２１及び２２は円筒状であり、電極２２が電極２１
内で同心状に配設される。このような配置では、支持部
２３及び２４はそれぞれ好ましくはサファイアからな
り、テフロン（登録商標）部材内に配置された複数例え
ば二組の三つの絶縁ボールを含む。第一及び第二の電極
２１及び２２の間の空間は、分析ギャップ２５を形成す
る。分析ギャップ２５を形成する空間は１〜３ｍｍ、好
ましくは約２ｍｍであり、８〜１０ｍｍの長さを有す
る。図１に示すように、電極２１及び２２が円筒状の場
合には、電極２１の好ましい内径は１８ｍｍであり、電
極２２の好ましい外径は１４ｍｍである。
【００１６】イオン化ソースは分析ギャップ２５に整列
されかつこれから隔置される。好適な実施例では、イオ
ン化ソースはイオン化室２８を含む。イオン化室２８は
試料媒体の流れからキャリアガスの流れを分離するよう
に構成される。図１に示す配置では、イオン化室２８
は、キャリアガスの運搬のために、電極２１と共に通路
２６を形成する。通路２６は、拡散器３１を含み、この
実施例では、イオン化室２８は、好ましくは第二の電極
よりわずかに（例えば０.０１〜０.０２ｍｍだけ）小さ
い直径である。イオン化室２８と分析ギャップ２５との
間の空間は、試料媒体のイオン化された種類が分析ギャ
ップ２５内に移動できるイオン孔２９である。孔２９は
ほぼ０.５〜４ｍｍの幅である。入口１７からの試料媒
体は、イオン化室２８に向けられ、イオン化装置３０に
よりイオン化される。イオン化装置３０は、陰イオン及
び陽イオンの製造のためにトリチウム等のβソースイオ
ン化装置から構成でき、又はコロナ放電、電子噴射又は
光イオン化ソース等の電子イオン化装置から構成でき
る。βイオン化ソースは正規代理店の許可を必要とする
が、これらは追加の電力要求を回避し、これは携帯可能
な器具にとって重要である。電力が重要でない場合に
は、携帯性が望まれるとき、電子イオン化又は光イオン
化を利用することが好ましい。図１に示すように、イオ
ン化装置３０は、絶縁材料から作られかつ試料媒体の通
過を許す複数の開口３４を有するスペーサ３３によっ
て、第二の電極２２に隣接しかつこの電極から隔置され
て支持された電極３２に接続される。この実施例では、
イオン化装置３０は、第三の電極及びイオンキッカーの
一部として機能する。
【００１７】電極２１の端部で、第二の支持部材１４に
隣接して、分析ギャップ２５からの少なくとも一つの開
口３７、好ましくは複数例えば８個の開口がある。開口
３７に隣接して、好ましくはテフロン（登録商標）、セ
ラミック又は同様の堅い材料等の絶縁材料から作られた
プラグ３８が配設される。円筒状の構成では、プラグ３
８は環状であり、分析ギャップ２５内の媒体が開口３７
以外の部分で出ることを排除する。開口３７に並んでイ
オン検出器４０が配設される。
【００１８】イオン検出器４０は、開口３７の軸に対し
て垂直に又は角度のオフセット（９０度〜４５度）状態
に配設された集電極板４１を含む。集電極板４１は、絶
縁材料から作られかつ中を通って集電極板４１に接続さ
れた少なくとも一つのリード４３を有する環状の検出器
リング４２によって、好ましくは開口上に片持ち梁状に
張り出す。好ましくは、第二の支持部材１４上にて開口
３７に隣接して、電気移動により集電極板４１に向かっ
てイオンの加速を補助するために使用される円板状電極
４６が配設される。開口３７を出るイオン種類は、集電
極板４１により検出される。集電極板４１は、前以て選
択された種類のしきい値レベルの検出による信号を発生
するため、又は特別の試料媒体の成分を決定するための
イオノグラムを用意するために、ディスプレイ又は記録
手段に電気的に接続される。検出器４０は、また好まし
くは、イオンの検出器への流れを加速するために、電位
によりバイアスを印加される。
【００１９】第一及び第二の電極の間の電位を発生させ
制御するために、電気制御装置５０が備えられる。第一
の補正の一方向電圧は、制御装置５０によりライン５１
を介して一般に回路コモン電位で作動する第一の電極２
１に供給されかつライン５２により第二の電極２２に印
加される。例えば、供給される電圧は、±１０〜±３０
０ボルトの範囲内である。更に、非対称周期的電位が、
（一方向補正電位と直列に）制御装置５０からライン５
２を介して第二の電極２２に加えられる。制御装置５０
は、当該分野で公知のＮｉＣｄ電池又はＬｉ陽極電池等
の携帯可能な再充電可能な電源を含んでもよい。非対称
波形の発生は、インバータ等を含む通常の回路の使用に
よって達成できる。電極に加えられる電位を変化させる
ために、ポテンショメータ、手動又は自動掃引又は走査
を使用できる。特別のイオン種類を分離し又は計測する
ために、制御装置５０は必要な電気的条件を提供するよ
うに構成される。
【００２０】図２は、イオン化のためにコロナ放電を使
用する本発明の好適な実施例を示す。この実施例では、
試料媒体のイオン化はコロナ放電によって生じ、電極３
２を介して電力制御装置５０に接続されるイオン化装置
３０のコロナ放電ワイヤ６０の先端に隣接して生ずる。
コロナ放電ワイヤ６０は、双方向波形、好ましくは非対
称高電圧ＲＦ波形によって運転される。このＲＦが分析
に干渉する即ち電極２２に影響を与えることを排除する
ために、シールド電極６４が含まれる。シールド電極６
４は絶縁体６６により支持される。好ましくは、試料媒
体の乱流を低減し又は排除するために、丸いアルミニウ
ム又は同様の金属である前縁部６７が絶縁体６６の前面
に取り付けられる。前縁部６７は、電極３２と同じ電位
に保持される。更に、放電を起こすために非対称波形を
使用する場合、それぞれ第一及び第二の電極２１及び２
２との間に加えられる非対称電位を発生させる波形の極
性と同じこの波形の極性を有することが重要である。
【００２１】コロナイオン化の作動の好ましい構成では
非対称高電圧ＲＦ波形が使用される。２ｋＶのピーク電
圧が有利であることが判明した。シールド電極６４と電
極３２そしてコロナ放電ワイヤ６０は、陽イオンに対し
て、約＋２０Ｖから＋３００Ｖの直流電圧、陰イオンに
対して、約−２０Ｖから＋６００Ｖの直流電圧である同
じ直流電圧に設定される。これは、イオン化室２８のイ
オンをイオン孔２９から分析ギャップ２５内へ強制的に
移動させる作用を有する。
【００２２】動作の第一の好ましい構成では、試料媒体
は入口１７を通り分光計１０内に引き込まれる。試料媒
体は、例えば塩素、トルエン、ベンゼン等のある種のガ
スの存在、ＴＮＴのような爆薬、同様の他のイオン化可
能な物質の存在を検出するために、試料とされる周囲の
空気でもよい。試料媒体は、入口１８に負圧を生ずる小
型ポンプの効果によって、イオン化室２８内に引き込ま
れる。試料媒体がイオン化室２８に引き込まれると同時
に、キャリアガスが、第一の入口１６を通って、空間２
６内に導入される。キャリアガスは、イオンがギャップ
２５内に向かって長手方向に移動するためのバルク運搬
機構として作用する。キャリアガスは、好ましくは、分
析ギャップ２５を通る層流を維持するように導入され
る。空間２６は、分析ギャップ２５と直接に連通するイ
オン化室２８を包囲する環状室である。好ましくは、キ
ャリアガスは、除湿された空気である。この場合、キャ
リアガスは、２.５〜５.０リッター／分の量で入口１７
に導入され、０.５〜３.５リッター／分の速度で、出口
１９から排出される。残りの流れは、好ましくは、イオ
ン孔２９を通って、試料媒体と共に出口１８から排出さ
れる。この流れの速度は、ギャップ２５の長さに基づい
て、ギャップ２５内にて約０.１〜１.３秒の分析時間を
提供する。しかしながら、時間が長過ぎる場合には、拡
散及び電荷移動のような損失作用のために、問題のイオ
ンは一つも検出されない。
【００２３】イオン化室２８内に引き込まれた試料媒体
は、イオン化ソース３０によりイオン化される。そのソ
ースがトリチウムである場合には、陽イオン及び陰イオ
ンがコロナ放電によるイオン化の場合と同様に発生す
る。この場合、放射性ソース物質がイオン化装置３０に
装填され、イオン化装置３０は電極３２を介して電力制
御装置５０に接続される。イオン化室２８、（電極３２
を介して）イオン化装置３０と電極２２に電位が加えら
れるので、イオン化室２８で形成されたイオンは、孔２
９を通って分析ギャップ２５内に移動される。陽イオン
に関して、これらの電極に加えられる電位は、イオン化
室２８が回路コモン電圧であり、イオン化装置３０及び
電極３２が、＋２０Ｖから＋３００Ｖの直流電圧であ
り、電極２２が補正電圧例えば−１と−１００Ｖの間の
直流電圧である。陰イオンに関しては、これらの電極に
加えられる電位は、イオン化室２８が回路コモン電圧で
あり、イオン化装置３０及び電極３２が、−２０Ｖから
−６００Ｖの直流電圧であり、電極２２が補正電圧例え
ば＋１と＋１００Ｖの間の直流電圧である。シールド電
極６４が電極２２及び３２の間に導入される点を除い
て、コロナ放電イオン化の作動のために、これらの同じ
電圧の構成は適用される。この場合、イオン化装置３
０、電極３２及びシールド電極６４は同じ直流電圧に維
持され、コロナワイヤ３０の先端におけるコロナ絶縁破
壊を誘導する付加的な高電圧ＲＦ電位がイオン化装置３
０と電極３２に加えられる。
【００２４】分析ギャップ２５にて、制御装置５０によ
り第二の電極２２に加えられる非対称周期的電位の作用
により、イオンは一度空気流に直角な方向に移動する。
非対称周期的電位の振幅は、問題のイオン種類に基づい
て１〜６の範囲、好ましくは約２〜５ｋＶの範囲、より
一層好ましくは約３ｋＶである。非対称電圧の振幅が設
定された後、補正電圧を一定に保持でき又はイオン種類
の分離を提供するようにスキャンできる。
【００２５】本発明の周期的非対称電圧の非対称性β
は、好適な実施例の波形に関して、約０.１〜０.７（１
＝対称）の間の値を有する。波形は、以下の式 Ｖ＝Ｖｏ［（１−β）ｃｏｓωｔ＋βｃｏｓ２ωｔ］ により与えられる。しかしながら、一般式
【数３】 に従う限り、他の波形も使用できる。
【００２６】高電場における第二の電圧の非対称性とイ
オン移動度の非直線性のために、イオンは、異なる速度
で分析ギャップ２５にて横向きに移動する。電圧を補正
しないと、非対称電場により、イオンがギャップ２５の
壁（電極）に突き当たる。移動度が一方向の補正電圧に
よって近似的に補正されたものは開口３７に達し、検出
器４０への記録のために出ていく。米国特許第３６６８
３８８号明細書に記載されるように、検出器４０はイオ
ンの電位計記録を含んでもよい。
【００２７】電極２１及び２２の間の前記電圧に直列に
加えられる低周波（〜１００Ｈｚ）の「脈流」電圧から
成る第三のバイアス電圧が、円筒状分析器１２における
分離を向上させることが分かった。この電位は、電極２
１及び電位２２の間の有効ギャップを狭くして、イオン
がほぼ補正されるギャップ２５内にある実際のポテンシ
ャル井戸の深さを低減する傾向がある。
【００２８】イオン化装置３０に加えられるバイアス電
圧を変更することにより、器具の感度及びダイナミック
レンジを調整できる。例えば図８に示すように、イオン
化室２８とイオン化装置３０との間のバイアスが、−２
０〜−３０Ｖの直流電圧であるとき、Ｃｌ2に対するセ
ンサの応答は最大となる。しかしながら、この電圧を−
６００Ｖまで増大させることにより、感度は低減され、
ダイナミックレンジは増大する。この調整はセンサの分
離に関して逆方向の作用を有しない。
【００２９】式(１)によれば、電極２１及び２２の間に
加えるべき第二の補正電圧の振幅は、問題のイオン種類
と、電極２１及び２２の間に加えられる第一の非対称周
期的電圧の振幅に基づく。与えられたイオン種類に関し
て、非対称電圧の振幅が増大するにつれて、その種類に
関して要求される補正電圧の振幅は、同様に増大する。
周期的非対称電圧の大きさと補正に必要な一定の電圧と
の機能的関係は、関係するイオン種類の同一性に基づ
く。入口１７を介して入る試料が、問題となるいくつか
の種類を含むとき、器具の有効分離は、周期的非対称電
圧の振幅を変化させ、イオンスペクトル／イオノグラム
の形状変化を監視することにより、増大できる。
【００３０】この手順の例を図５及び図６に示す。図５
の曲線Ａは、試料流が１００ｐｐｍのｏ−キシレンを含
む場合のイオノグラムである。図５の曲線Ｂは、試料流
が１００ｐｐｍのｏ−キシレンと１０ｐｐｂのＤＭＭＰ
の組合せを含む曲線Ａに関して存在するのと同一の条件
の下で記録されたイオノグラムである。曲線Ａでは、ｏ
−キシレンは６Ｖの補正電圧で、イオノグラムに強い特
徴を生ずる。曲線Ｂに示すように、ＤＭＭＰによる特徴
は、殆ど同じ補正電圧にて生ずる。図５の曲線Ｂでは、
ｏ−キシレンとＤＭＭＰに関する特徴を分離することは
困難であり、この特徴は、元の流れの成分の量的及び質
的分析の双方を妨げる。図６では、周期的非対称電圧の
振幅が増大され、ｏ−キシレン及びＤＭＭＰの双方に関
係するイオンの伝導は、より高い補正電圧を要求する。
しかしながら、ｏ−キシレンの特徴に対する補正電圧の
変化（６〜８.２Ｖ）は、ＤＭＭＰの特徴に対する対応
する変化（６.１から９.５Ｖ）より大幅に小さく、これ
によりこれら二つの種類を分離し、元の流れの成分の分
析を可能にする。
【００３１】図３〜図６に示すイオノグラムは、本発明
の利点を示す種々のガスに対する分光計１０の応答を示
する。これらの図では、種々の濃度のジメチルメチルホ
スホン酸塩（ＤＭＭＰ）が、ベンゼンとキシレンの有機
化合物と共に使用された。これらの結果に基づいて、Ｄ
ＭＭＰに対する検出の下限が０.１ｐｐｂ以下であると
決定された。
【００３２】図３の中央の曲線Ａは、清浄な空気中に１
０ｐｐｂ以下のＤＭＭＰの場合のスペクトルである。ス
ペクトルＢ及びＣは、それぞれ、分光計１０がＤＭＭＰ
によりテストされた前後での清浄な空気のイオノグラム
を表わす。図４では、イオノグラムは、１０ｐｐｂのＤ
ＭＭＰと５ｐｐｍのベンゼンを有する試料の流れを表わ
す。６Ｖの直流電圧付近のＤＭＭＰのピークと７.５Ｖ
の直流電圧付近のベンゼンのピークが明示される。トル
エンによる同様のテストは、同様に分離されたイオノグ
ラムを生じた。
【００３３】図７は、空気中のＤＭＭＰに関する二つの
イオノグラムを示す。図７ａでは、試料媒体は、通常の
トリチウムβ放出器によりイオン化され、図７ｂでは、
イオン化は、図２に示すコロナ放電イオン化装置により
発生された。図７ｂでは、コロナ放電を形成するため
に、約２ｋＶのピーク振幅を有する非対称高電圧が電極
３２を介して放電ワイヤ６０に印加された。シールド電
極６４と電極３２は、同じ直流電圧＋２０Ｖに維持され
た。
【００３４】本発明の好適な実施例を図示しかつ説明し
たが、本発明の実施態様は、添付の請求項の範囲内にて
他の構成、実施例により具体化できる。
【００３５】
【発明の効果】本発明では広範囲のイオンの種類に亘っ
て拡張されたダイナミックレンジを備えたガス分析器を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のイオン分光計の概略図
【図２】 イオン化のためのコロナ放電を使用する本発
明の他の実施例
【図３】 試料ガス流が空気中に１０ｐｐｂのジメチル
メチルホスホン酸塩（ＤＭＭＰ）を含む場合のイオノグ
ラム
【図４】 試料ガス流が空気中に５ｐｐｍのベンゼンと
１０ｐｐｂのジメチルメチルホスホン酸塩（ＤＭＭＰ）
を含む場合のイオノグラム
【図５】 試料ガス流が空気中に１００ｐｐｍのｏ−キ
シレンを含む場合（曲線Ａ）と、試料ガス流が空気中に
１００ｐｐｍのｏ−キシレンと１０ｐｐｂのＤＭＭＰを
含む場合（曲線Ｂ）のイオノグラム
【図６】 試料ガス流が空気中に１００ｐｐｍのｏ−キ
シレンと１０ｐｐｂのＤＭＭＰを含む場合（曲線Ａ）
と、非対称周期的電位の振幅が図５の曲線Ｂの値に比較
して増大した場合のイオノグラム
【図７】 試料ガス流が空気中に１０ｐｐｂのＤＭＭＰ
を含み、β放射によりイオン化された場合のイオノグラ
ム
【図８】 空気中のｐｐｂの塩素に対する本発明の反応
を示すグラフ
【符号の説明】
１０・・イオン移動度分光計、 １１・・ハウジング、
１２・・分析器、１３、１４・・支持部材、 １６、
１７・・入口、 １８、１９・・出口、 ２１、２２・
・電極、 ２３、２４・・支持部、 ２５・・分析ギャ
ップ、 ２６・・通路、 ２８・・イオン化室、 ２９
・・イオン孔、 ３０・・イオン化装置、 ３１・・拡
散器、 ３２・・電極、 ３３・・スペーサ、 ３４、
３７・・開口、 ３８・・プラグ、 ４０・・イオン検
出器、 ４１・・集電極板、４２・・検出器リング、
４３・・リード、 ４６・・円板状電極、 ５０・・電
気制御装置、 ５１、５２・・ライン、 ６０・・コロ
ナ放電ワイヤ、 ６４・・シールド電極、 ６６・・絶
縁体、 ６７・・前縁部、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー・エス・タラソフ アメリカ合衆国16046ペンシルベニア州マ ーズ、オックスフォード コート 1515

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ．試料媒体の伝達のための少なくとも
    一つの入口と、少なくとも一つの出口とを有するハウジ
    ングと、 ｂ．ハウジング内に配設された分析器とを含み、ハウジ
    ングは、 ｉ．電極間の空間が縦方向の分析ギャップを形成し、分
    析ギャップがこれを通る流れのためにキャリアガスのソ
    ースと連通する少なくとも第一及び第二の縦方向に隔置
    された電極と、 ii．分析ギャップに並置されかつ試料媒体のイオン化の
    ために入口と連通するイオン化ソースと、 iii.イオン化ソースと分析ギャップとの間に開口を形成
    するイオン孔と、 iv．イオン孔の近傍に配設された第三の電極と、 ｖ．イオン孔から隔置された分析ギャップからの少なく
    とも一つの出口開口と、 vi．分析ギャップからのイオンを測定するための上記電
    極から隔置されたイオン検出器と、 vii.電極に接続され、 Ａ．第一、第二及び第三の電極に対して直流電圧を印加
    しかつ Ｂ．分析ギャップ内をキャリアガスが流れる際に、横向
    きの電場を生成するように第一及び第二の電極に対して
    周期的非対称電位を印加する電気制御装置とを含むこと
    を特徴とするイオン移動度分光計。
  2. 【請求項２】 第一及び第二の電極は円筒状でありかつ
    同軸に整列する請求項１に記載のイオン移動度分光計。
  3. 【請求項３】 第一及び第二の電極は平坦である請求項
    １に記載のイオン移動度分光計。
  4. 【請求項４】 第三の電極はイオン化ソースを含む請求
    項１に記載のイオン移動度分光計。
  5. 【請求項５】 電気制御装置は第一及び第二の電極間の
    第三のバイアス電位を含み、第三のバイアス電位は低周
    波脈流電圧から成る請求項１に記載のイオン移動度分光
    計。
  6. 【請求項６】 イオン化ソースは、β放出器、光イオン
    化装置、コロナ放電イオン化装置、電子噴射及び熱イオ
    ン化装置から成るグループから選択される請求項１に記
    載のイオン移動度分光計。
  7. 【請求項７】 イオン化ソースは、第二の電極と同軸に
    整列されかつイオン孔を形成するために第二の電極から
    隔置されたイオン化室を含む請求項２に記載のイオン移
    動度分光計。
  8. 【請求項８】 ハウジングは分光ギャップに連通した第
    二の入口を含み、第二の入口はキャリアガスのソースに
    接続される請求項１に記載のイオン移動度分光計。
  9. 【請求項９】 ハウジングは第二の入口を含み、第二の
    入口は試料媒体に接続され、第一の入口はキャリアガス
    のソースに接続される請求項１に記載のイオン移動度分
    光計。
  10. 【請求項１０】 周期的非対称電位は５ｋＶ／ｃｍ〜３
    ０ｋＶ／ｃｍの電場を生成する請求項３に記載のイオン
    移動度分光計。
  11. 【請求項１１】 非対称電圧の非対称性βの値は、波形 Ｖ＝Ｖｏ［（１−β）ｃｏｓωｔ＋βｃｏｓ２ωｔ］ に対して、約０.１〜０.７の間である請求項１に記載の
    イオン移動度分光計。
  12. 【請求項１２】 イオン化ソースは、第二の電極と同軸
    に整列しかつ第二の電極と共存する領域に電気シールド
    を含むコロナ放電から構成される請求項１に記載のイオ
    ン移動度分光計。
  13. 【請求項１３】 分析器は試料媒体と連通するイオン化
    室を含み、イオン化ソースはイオン化室内に配設され、
    イオン化室はイオン孔に隣接して配設される請求項１に
    記載のイオン移動度分光計。
  14. 【請求項１４】 イオン化室、イオン化ソース、第三の
    電極及び第一の電極は、互いに相対的にイオン孔を通る
    イオンを加速する電位に設定される請求項１３に記載の
    イオン移動度分光計。
  15. 【請求項１５】 イオン化ソース、第三の電極及び第一
    の電極は互いに相対的にイオン孔を通るイオンを加速す
    る電位に設定される請求項１に記載のイオン移動度分光
    計。
  16. 【請求項１６】 電気制御装置は、直流補正電位と周期
    的非対称電位に直列に加えられる低周波のバイアス電圧
    を含む請求項１に記載のイオン移動度分光計。
  17. 【請求項１７】 電気制御装置はイオン化室とイオン化
    ソースとの間の電位差を変化させるために調整可能であ
    る請求項１２に記載のイオン移動度分光計。
  18. 【請求項１８】 周期的非対称電位は、一般式 【数１】 に従う波形を有する請求項１に記載のイオン移動度分光
    計。
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