KR101176853B1 - 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기 - Google Patents

레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 이동도 분석기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 중공의 실린더 형상의 통체와, 중심선이 통체의 중심선과 일치하고 마주보는 단부면이 일정한 간격을 갖도록 통체의 축방향 내측 상부면과 하부면에 각각 고정된 환상(annular)의 한 쌍의 셔터 그리드 전극(Shutter Grid Electrode)과, 상기 셔터 그리드 전극의 내측에 위치하고 통체의 내측 상부면과 하부면에 중심선이 통체의 중심선과 일치하도록 각각 고정된 한 쌍의 환상의 제1전극과, 상기 제1전극의 내측에 설치된 제2전극과, 상기 통체의 반경 방향 내주면에 고정된 환상의 디텍터 전극(Detector Electrode)을 포함한다. 또한, 제2 전극에 외부의 시료 가스를 공급받기 위하여 입구가 통체의 외부와 연통되고 출구가 통체의 내부와 연통되도록 형성된 통로를 구비한다.
본 발명에 따라서 성능이 향상된 이온 이동도 분석기를 활용하면, 대기압 상태에서 공기 중이 존재하는 마약이나, 폭발물, 독성 산업 물질, 그리고 신경작용제나 수포작용제 같은 전시 화학 물질을 보다 정확하고 빠르게 검출할 수 있다.

Description

레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기{Radial Disk Type Ion Mobility Spectrometer}
본 발명은 이온 이동도 분석기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기에 관한 것이다.
이온 이동도 분석기(Ion Mobility Spectrometer, IMS)는 공기 중에 포함된 특정한 화학 물질을 식별하기 위한 장치이다. 특히 이온이동도 분석기는 대기압 상태에서 공기 중이 존재하는 마약이나, 폭발물, 독성 산업 물질(Toxic Industrial Chemicals, TICs), 그리고 신경작용제나 수포작용제 같은 전시 화학 물질(Chemical Warfare Agents, CWAs)을 정확하고 빠르게 검출하기 위하여 사용된다.
이온 이동도 분석기는 이온화 영역(Ionisation Region)과, 드리프트 영역(Drift Region)과, 이온 검출부(Detector)를 포함한다. 샘플 가스는 이온화 영역에서 이온화 되고, 샘플 가스에 포함된 특정한 이온은 셔터 그리드를 통해서 드리프트 영역으로 보내지고, 드리프트 영역의 전기장에 의하여 가속되어 이온 검출부에 도달하도록 되어 있다.
이온 이동도 분석기에서 샘플 가스를 이온화시키는 방법으로 니켈-63 (Ni63)과 같은 방사선 소스(radioactive source)나 UV 소스(UV source)를 사용하거나, 코로나 방전(corona discharge)을 이용하는 방법이 알려져 있다. 또한, 이온 이동도 분석기에 있어서 드리프트 영역이 중공의 실린더 내부를 이온이 축방향으로 이동하도록 형성된 것(Cylinder Type)과 중공의 디스크 내부를 이온이 반경 방향으로 이동하도록 형성된 것(Disk Type)이 알려져 있다.
코로나 방전 방식을 이용한 디스크 타입의 이온 이동도 센서가 본 발명의 발명자 중의 한 사람이 제안한 미국 특허 제6,995,361호에 개시되어 있다. 또한, PCT 공개공보 WO 2010.052604 A1에도 상기 '361 특허와 유사한 형태의 디스크 타입 이온 이동도 분석기가 개시되어 있다. 코로나 방전을 방식을 이용한 디스크 타입의 이온 이동도 분석기는 실린더 타입의 이온 이동도 분석기에 비하여, 제작이 간편하고, 소형화에 유리하며, 분해능(Resolution)이 우수하고 검출 전류의 세기(Intensity)를 크게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 실린더 타입의 이온 이동도 분석기에 비하여 많은 양의 샘플 가스를 이온화 하여 검출할 수 있는 장점이 있다.
미국 특허 제6,995,361호, 발명의 명칭 '레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기(Radial Disk Type Ion Mobility Spectrometer)' PCT 공개 공보 WO 2010/052604 A1, 발명의 명칭 '보안 장치(Security Apparatus)'
도 11에는 종래의 디스크 타입 이온 이동도 센서의 개략도(상기 미국 특허 제6,995,361호의 도 2)가 도시되어 있다. 도 11에 도시된 이온 이동도 분석기는, 한 쌍의 셔터 그리드 전극(610, 620)과 코로나 방전 전극(510) 사이에서 시료 가스가 이온화되도록 되어 있다. 따라서 셔터 그리드 전극(610, 620)을 개방하기 전에 코로나 방전에 의하여 발생된 이온이 슬릿(540)을 통하여 드리프트 챔버(300) 내로 빠져 나와서 이온 이동도 분석기의 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 또한, 통체(700)의 하부를 통하여 시료 가스가 공급되고, 공급된 시료가스가 드리프트 챔버를 통하여 배출되도록 되어 있다. 따라서, 코로나 방전에 의하여 이온화 된 시료 가스뿐만 아니라 시료 가스에 포함된 여러가지 물질이 드리프트 챔버(300) 내로 이동하도록 되어 있어서 분해능과 감도를 저하시키고, 드리프트 챔버(300)를 오염시키는 문제점이 있다. 또한, 드리프트 챔버(300) 내에서 시료 가스와 드리프트 가스가 합류하게 되어 와류가 형성되어 측정의 정밀도가 낮게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는 미세한 전류를 측정하기 위한 콜렉터(400)에 발생하는 외부의 노이즈를 제거하기 위한 수단을 제공하여 측정의 정밀도를 개선하는 것이 필요하다. 또한, 정밀도를 향상시키기 위하여 드리프트 영역 내에 반경방향으로 균일한 전기장이 형성되도록 하는 구조의 개선이 요청된다. 또한, 분해능을 개선하기 위하여 셔터 그리드 전극을 개방하기 전에 코로나 방전에 의하여 발생된 이온을 셔터 그리드 전극의 원주 방향을 따라서 균일하게 분포시키기 위한 수단의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 코로나 방전 전극의 구조를 개선하여 분해능을 향상시킨 디스크 타입의 이온 이동도 분석기를 제공한다. 또한, 본 발명은 이온 검출부의 구조를 개선하여 노이즈를 감소시키고 검출 전류의 세기를 증대시킬 수 있는 디스크 타입의 이온 이동도 분석기를 제공한다. 또한, 본 발명은 이온화 영역의 방전 전극과 셔터 그리드의 구조를 개선하여 분해능을 향상시킨 이온 이동도 분석기를 제공한다. 또한, 본 발명은 드리프트 영역의 전기장을 균일하게 형성할 수 있는 구조를 갖는 디스크 타입 이온 이동도 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 중공의 실린더 형상의 통체와, 중심선이 통체의 중심선과 일치하고 마주보는 단부면이 일정한 간격을 갖도록 통체의 축방향 내측 상부면과 하부면에 각각 고정된 환상(annular)의 한 쌍의 셔터 그리드 전극(Shutter Grid Electrode)과, 상기 셔터 그리드 전극의 내측에 위치하고 통체의 내측 상부면과 하부면에 중심선이 통체의 중심선과 일치하도록 각각 고정된 한 쌍의 환상의 제1전극과, 상기 제1전극의 내측에 설치된 제2전극과, 상기 통체의 반경 방향 내주면에 고정된 환상의 디텍터 전극(Detector Electrode)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 디텍터 전극은 실린더 타입 이온이동도 분석기의 페러데이 컵에 대응하여 페러데이 링(Faraday Ring)이라고 부를 수 있다.
본 발명에 따른 이온 이동도 분석기는, 셔터 그리드 전극을 폐쇄(off)한 상태에서, 내측 상부면에 고정된 셔터 그리드 전극에 (VS + VP)의 전압을 인가하고, 내측 하부면에 고정된 전극에 (VS - VP )의 전압을 인가하면, 셔터그리드 전극을 개방(on)하기 전에 드리프트 영역으로 새어 들어온 이온이 통체의 외벽에 흡착되도록 한다. 이는 한 쌍의 셔터 드리드 전극이 Bradbery Nielsen Gate로 작용하여. 이온이 패쇄된 셔터그리드를 통과할 때 전기장에 의하여 통체의 상부 또는 하부로 힘을 받기 때문이다. 따라서, 본 발명에 의한 이온 이동도 분석기는 셔터 그리드 전극을 개방하기 전에 드리프트 영역으로 새어 들어온 이온에 의한 디텍터 전극에 발생하는 노이즈를 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 시료 가스의 이온화 비율을 높이기 위하여 제2전극의 내부에 형성된 통로를 통하여 시료 가스가 배출되도록 하면서 동시에 코로나 방전에 의하여 이온화가 될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 제2 전극에 외부의 시료 가스를 공급받기 위하여 입구가 통체의 외부와 연통되고 출구가 통체의 내부와 연통되도록 형성된 통로를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 출구부의 형상은 주사 바늘 처럼 뽀쪽하게 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 셔터 그리드의 원주방향을 따라서 균일하게 시료 가스의 이온이 생성되도록, 제2전극의 통로의 출구를 복수개로 하고, 원주방향으로 등간격으로 배치하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 노이즈를 감소시키고 신호의 세기를 크게하기 위하여 디텍터 전극의 전방에 한 쌍의 리타드 전극을 추가로 배치하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 리타드 전극은 환형상이고, 중심선이 통체의 중심선과 일치하고, 상기 디텍터 전극의 내측에 위치하고 마주보는 단부면이 일정한 간격을 갖도록 통체의 축방향 내측 상부면과 하부면에 각각 고정된다.
또한, 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 디텍터 전극에 발생하는 외부의 노이즈를 보상하기 위하여 한 쌍의 노이즈 보상용 더미 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 노이즈 보상용 더미 전극은 환형상으로 각각 디텍터 전극의 상하에 위치하고, 통체의 반경 방향 내주면에 고정된다.
또한, 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 드리프트 영역 내부에 반경방향으로 균일한 전기장이 형성되도록 통체의 축방향 내측 상부면과 하부면에 각각 고정된 한 쌍의 드리프트 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 드리프트 전극은 중앙에 관통구멍이 형성된 디스크 형상이고, 중심선이 통체의 중심선과 일치하고, 관통구멍의 내부에 셔터 그리드 전극이 위치하도록 고정된다. 또한, 각각의 드리프트 전극의 관통구멍 주위의 주연부(내측 주연부)는 그리드 전극의 단부면을 향하여 절곡되어 있다. 한 쌍의 드리프트 전극의 절곡된 부분은 셔터그리드 전극에 걸리는 전압에 의한 영향을 차폐하여 드리프트 영역 내에 반경방향으로 균일한 전기장이 형성되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는, 코로나 방전에 의하여 생성된 이온을 셔터그리드 전극의 원주방향을 따라서 균일하게 분포하도록 하기 위한 헬름홀츠 코일(Helmholt Coil)을 더 구비할 수 있다. 헬름홀츠 코일은 통체의 외측 상부면과 하부면에 각각 배치된 나선형으로 권선된 코일로서, 헤름홀츠 코일의 내측 주연부는 셔터그리드 전극과 제1전극 사이에 위치하도록 배치된다. 한 쌍의 헬름홀츠 코일에 의하여 셔터 그리드 전극과 제1 전극 사이에 축방향으로 평행한 자기장이 형성되고, 셔터 드리드 전극을 향하여 이동하는 이온은 자기장에 의하여 셔터 그리드 전극의 원주방향으로 작용하는 힘을 받게 되어 원주방향을 따라서 이동하도록 한다. 한쌍의 헬름홀츠 코일은 동일 방향으로 권선되어 있다. 따라서, 코로나 방전에 의하여 생성된 이온이 셔터 그리드 전극의 원주방향에 균일하게 분포하게 되어 분해능이 향상된다. 또한, 헬름홀츠 코일은 전류의 흐름에 따라 발생하는 열을 이용하여 드리프트 영역을 가열하기 위한 히터로도 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 코로나 방전 전극의 구조를 개선하여 분해능이 향상되고, 노이즈 보상용 더미 전극을 구비하여 정밀도가 향상된 레이디얼 디스크 타입의 이온 이동도 분석기가 제공된다.
본 발명에 따라서 성능이 향상된 이온 이동도 분석기를 활용하면, 대기압 상태에서 공기 중이 존재하는 마약이나, 폭발물, 독성 산업 물질, 그리고 신경작용제나 수포작용제 같은 전시 화학 물질을 보다 정확하고 빠르게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기의 일 실시예의 개략도
도 2는 도 1의 실시예의 이온 이동도 분석기를 A-A 단면에서 바라본 사시도
도 3은 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기에 사용되는 제2전극의 일 실시예의 사시도
도 4는 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기에 사용되는 제2전극의 다른 실시예의 사시도
도 5는 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기에 사용되는 헬름홀즈 코일의 일실시예의 사시도
도 6은 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기에 있어서 제1 전극과 셔터그리드 전극과 드리프트 전극에 의한 노이즈 제거 효과를 설명하기 위한 개략도
도 7 및 도8은 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기에 있어서 헬름홀츠 코일에 의한 효과를 설명하기 위한 개략도
도 9는 도 1에 도시된 실시예의 이온 이동도 분석기의 동작시 각각의 전극에 걸리는 전압의 타임차트
도 10은 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기를 듀얼로 사용한 실시예의 개략도
도 11은 종래의 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기의 개략도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달르게 해석될 수 있다. 그러나, 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기의 일 실시예의 개략도이고, 도 2는 도 1의 실시예의 이온 이동도 분석기를 A-A 단면에서 바라본 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기(100)는 이온화 영역(10)과, 드리프트 영역(20)과, 이온 검출부(30)를 포함한다. 이온화 영역(10)과 드리프트 영역(20)은 중공의 실린더 형상의 통체(40)의 내부에 형성되어 있다. 이온화 영역(10)은 통체(40) 내부에 배치된 환형상의 한 쌍의 셔터 그리드 전극(15, 16)에 의하여 구획된 중심부 공간이고, 드리프트 영역(20)은 이온화 영역을 둘러싸는 환형상의 외부 공간이다. 중심부 공간은 이온화 챔버(11)라고 하고, 환형상의 외부 공간은 드리프트 챔버(21)라고 한다. 통체는 테프론이나 에폭시 또는 세라믹으로 제작하나, 이에 한정되는 것은 아니고 내구성이 있으면 절연 성능이 우수한 재질이면 어느 것이나 가능하다.
셔터 그리드 전극들(15, 16)은 환형상이다. 상부 셔터 그리드 전극(16)은 통체(40)의 내측 상부면(40a)에 고정되어 있고, 하부 셔터 그리드 전극(15)은 통체(40)의 내측 하부면(40b)에 고정되어 있고 중심선이 통체의 중심선(X)과 일치하도록 각각 고정되어 있다. 각각의 셔터 그리드 전극이 마주보는 단부면은 일정한 간격(d1)을 갖도록 배치되어 있다. 셔터 그리드 전극은 스테인레스 스틸이나 구리로 제조하거나, 금도금을 하는 것이 보다 바람직하다. 단부면이 마주 보는 간격(d1)은 1 내지 5 mm 이내한다. 간격(d1)은 이온화 챔버에 원주 방향으로 균일한 간격을 갖는 슬릿이 형성되도록 한다. 간격(d1)에 형성된 슬릿은 이온화 챔버(11) 내에서 생성된 이온이 드리프트 챔버(21)로 이동하는 통로가 된다.
제1전극들(13, 14)은 환형상이고, 셔터 그리드 전극들(15, 16)의 내측에 배치된다. 상부 제1전극(14)은 통체(40)의 내측 상부면(40a)에 고정되어 있고, 하부 제1전극은 통체(40)의 내측 하부면(40b)에 고정되어 있으며, 중심선이 통체의 중심선(X)과 일치하도록 배치되어 있다. 제2 전극(12)은 제1전극(13, 14)의 내측에 설치되어 있다. 제2 전극(12)은, 외부의 시료 가스를 공급받기 위하여 입구(12a)가 통체(40)의 하부면(40b)을 관통하여 외부와 연통되고, 출구(12b)가 통체의 내부와 연통되도록 형성된 통로(12c)을 구비한다. 제1 전극들(13, 14)과 제2전극(12) 사이에 짧은 시간 동안 고압의 펄스 전압을 인가하면서 출구로 시료 가스를 배출시키면 코로나 방전이 일어나면서 시료 가스를 이온화 시킨다. 제2전극(12)은 티타늄과 같은 내구성이 우수한 금속으로 제조하는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제2전극(12)은 복수의 출구(12-1 내지 12-8)를 구비하는 것을 사용할 수 있다. 제2전극(12)의 통로(12c)의 출구(12b)를 복수로 할 경우, 원주방향으로 등간격으로 배치된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 것과 같이 각각의 출구가 끝인 뾰족한 주사 바늘 모양인 것을 절곡하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 도 4에 도시된 것과 같이, 출구를 플라워 형상으로 입구와 연통되도록 통로를 형성하고, 코로나 방전이 일어나는 출구의 끝을 보다 뾰족하게 하기 위하여 출구의 단부를 펜끝과 같이 오목해지면서 폭이 좁아지도록 형성하는 것이 보다 바람직하다. 도 1 및 도 2를 참조하면 제1전극들(13, 14)은 링부(13a, 14a)와 제2전극(12)을 향하여 절곡된 절곡부(13b, 14b)를 구비한다. 절곡부(13b, 14b)의 단부는 코로나 방전의 효율을 높이기 위하여 제2전극(12)을 향하는 방향으로 예리하게 날을 세우는 것이 바람직하다.
도 6 및 도 9를 참조하면, 셔터 그리드 전극을 폐쇄(off)한 상태에서, 상부 셔터 그리드 전극(16)에 (VS + VP)의 전압을 인가하고, 하부 셔터 드리드 전극(15)에 (VS - VP )의 전압을 인가하면, 셔터 그리드 전극(15, 16)을 개방(on)하기 전에(즉 셔터 그리드 전극이 폐쇄(off) 상태인 때) 드리프트 영역(21)으로 새어 들어온 이온(I)이 통체의 외벽에 흡착된다. 이는 한 쌍의 셔터 드리드 전극이 Bradbery Nielsen Gate로 작용하여, 이온이 패쇄된 셔터그리드를 통과할 때 이온의 이동 방향에 수직이 되도록 형성된 전기장에 의하여 통체의 상부 또는 하부로 가해지는 힘을 받기 때문이다. 따라서, 본 발명에 의한 이온 이동도 분석기는 셔터 그리드 전극을 개방하기 전에 드리프트 영역으로 새어 들어온 이온에 의한 디텍터 전극에 발생하는 노이즈를 감소 시킬 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 디텍터 전극(31)은 통체(40)의 반경 방향 내주면에 고정되어 있다. 또한, 디텍터 전극(31)의 상하에는 환형의 한 쌍의 노이즈 보상용 더미 전극(32, 33)이 고정되어 있다. 디텍터 전극(31)은 한 쌍의 노이즈 보상용 더미 전극(32, 33)과 동일한 면적을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 디텍터 전극(31)과 한쌍의 노이즈 보상용 더미 전극(32, 33)은 도 1의 점선에 도시한 것과 같이 차동 증폭 회로(160)에 연결하여 외부의 노이즈 신호를 제거하여서 검출 신호를 증폭할 수 있도록 한다.
또한, 이온 이동 경로의 차이에 의한 노이즈 신호를 감소시키고 분해능과 신호의 세기를 크게 하기 위하여 디텍터 전극(31)의 전방에 한 쌍의 리타드 전극(24, 25)이 배치되어 있다. 한 쌍의 리타드 전극(24, 25)은 환형상으로, 디텍터 전극(31)의 내측에 중심선이 통체(40)의 중심선(X)과 일치하도록 배치되어 있다. 상부 리타드 전극(25)은 통체(40)의 내측 상부면(40a)에 고정되어 있고, 하부 리타드 전극(24)은 통체(40)의 내측 하부면(40b)에 고정되어 있다. 상부 리타드 전극(25)과 하부 리타드 전극(24)의 마주보는 단부면은 일정한 간격(d2)을 갖도록 배치된다. 드리프트 영역에서 디텍터 전극(31)을 향하는 경로에서 많이 벗어난 이온들은 리타드 전극에 의하여 제거되고, 디텍터 전극(31)을 향하는 경로에서 조금 벗어난 이온들은 디텍터 전극(31)을 향하여 이동하는 경로를 이탈하지 않도록 하는 역활을 한다.
한 쌍의 드리프트 전극(22, 23)이 리타드 전극들(24, 25)과 셔터 그리드 전극들(15, 16) 사이에 각각 설치되어 있다. 드리프트 전극들(22, 23)은 중앙에 관통구멍이 형성된 디스크 형상이다. 드리프트 전극들(22, 23)은 각각 중심선이 통체의 중심선(X)과 일치하고, 관통구멍의 내부에 셔터 그리드 전극(15, 16)이 위치하도록 고정된다. 또한, 각각의 드리프트 전극(22, 23)의 내측 주연부(22a, 23a)는 그리드 전극(15, 16)의 단부면을 향하여 절곡되어 있다. 한 쌍의 드리프트 전극(22, 23)의 절곡된 내측 주연부(22a, 23a)는 셔터그리드 전극(15, 16)에 걸리는 전압에 의한 영향을 차폐하여 드리프트 영역(21) 내에 반경 방향으로 균일한 전기장이 형성되도록 한다.
통체(50)의 상부면과 하부면 외측에 각각 한 쌍의 헬름홀츠 코일(50, 51)이 설치되어 있다. 헬름홀츠 코일(50, 51)은 통체(40)의 외측 상부면과 하부면에 각각 배치된 나선형으로 권선된 코일이다. 각각의 헬름홀츠 코일(50, 51)의 내측 주연부는 셔터그리드 전극(15, 16)과 제1전극(13, 14) 사이에 위치하도록 배치되어 있다. 헬름홀츠 코일을 도 5에 도시된 것과 같이, 인쇄 회로 기판(51a)에 나선형 코일(51b)의 패턴을 에칭에 의하여 형성할 수도 있다. 인쇄회로기판을 사용하여 헬름홀츠 코일을 만들 경우에는 내부에 관통구멍(51c)을 형성하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 헬름홀츠 코일은 코로나 방전에 의하여 생성된 이온을 셔터그리드 전극의 원주방향을 따라서 균일하게 분포되도록 한다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 한 쌍의 헬름홀츠 코일(50, 51)에 의하여 셔터 그리드 전극과 제1 전극 사이에 축방향으로 평행한 자기장(B)이 형성되도록 한다. 코로나 방전에 의하여 생성된 이온(I)이 셔터 드리드 전극(15, 16)을 향하여 이동할 경우, 이온(I)은 자기장(B)에 의하여 셔터 그리드 전극(15, 16)에 대하여 원주방향으로 작용하는 힘(lorentz force)을 받게 된다. 도 8을 참조하면, 이온(I)은 이온화 챔버(11)의 셔터 그리드 전극(15, 16) 주위에서 원주방향을 따라서 이동하게 된다. 따라서, 제2전극(12)의 복수의 출구 주위에서 코로나 방전에 의하여 생성된 이온이 자기장에 의하여 셔터 그리드 전극의 원주방향을 따라서 균일하게 분포하게 되어 분해능이 향상된다. 또한, 헬름홀츠 코일에 전류가 흐르게 되면, 자기장이 형성되는 것과 함께 열이 발생한다. 이 발생열에 의하여 헬름홀츠 코일은 드리프트 영역을 가열하기 위한 히터로도 사용된다.
도 1을 참조하면, 통체(40)의 하부면과 상부면에는 이온화 챔버(11)와 연통된 입구포트(41)와 출구포트(42)가 형성되어 있다. 또한, 통체(40)의 리타드 전극의 외측에는 드리프트 가스를 공급하기 위한 드리프트 포트(43)가 형성되어 있다. 입구포트(41)는 이온화 챔버(11) 내부의 제2전극(12)의 입구(12a)와 연결되어 있다. 또한, 입구포트(41)는 시료 가스를 정화하여 공급하기 위한 시료가스 필터(60)와 연결되어 있다. 드리프트 포트(43)는 드리프트 가스를 정화하여 공급하기 위한 드리프트 필터(62)와 연결되어 있다. 출구포트(42)는 펌프(61)에 연결되어 있다.
도 1 및 도 9를 참조하여 본 실시예의 이온 이동도 분석기의 작동에 대하여 설명한다.
분석기에 전원이 공급되면, 펌프제어부(130)가 펌프(61)를 동작시킨다. 펌프(61)가 동작되면, 필터(60)를 통과한 시료 가스가 제2 전극(12)의 출구를 통과하여 이온화 챔버(11)로 공급된다. 또한, 필터(62)를 통과한 드리프트 가스도 드리프트 챔버(21)로 공급된다. 헬름홀츠 코일제어부(140)는 헬름홀츠 코일(50, 51)에 인가되는 전류를 제어한다. 다음으로, 고전압제어부(120)가 제1전극들(13, 14)과 제2전극(12)에 사이에 고전압 펄스(Vc)를 인가하면, 시료가스가 코로나 방전에 의하여 이온화 된다. 이 때 코로나 방전에 의하여 생성된 이온화 챔버(11) 내의 이온(I)은, 헬름홀츠 코일(50, 51)에 의하여 형성된 자기장에 의하여, 도 8에 도시된 것과 같이 셔터 그리드 전극의 원주 방향에 균일하게 분포하게 된다. 또한, 셔터 그리드 전극(15, 16)이 개방 상태로 되기 전에 이온화 챔버(11)에서 드리프트 챔버(21)로 새어 나간 이온들은 도 6에 도시된 것과 같이 드리프트 챔버의 내벽에 흡착되어 디텍터 전극(31)까지 날아 가지 못한다.
셔터그리드전압제어부(110)는 고전압 펄스에 의한 코로나 방전이 개시된 후 일정 시간(Δt1)이 경과한 후에 셔터 그리드 전극(15, 16)을 정해진 시간(Δts) 동안 개방(on) 한다. 폐쇄상태에서 한 쌍의 셔터 그리드 전극(15, 16)에는 2Vp의 전압차가 발생하도록 전압을 인가되어 있다. 셔터 그리드 전극의 개방과 동시에 드리프트전압제어부(90) 및 리타드전압제어부(80)가 각각 드리프트 전극(22, 23)과 리타드 전극(24, 25)의 어느 하나에 도 9에 도시된 것과 같은 전압을 인가한다. 드리프트 영역에서 이온이 이동하여 디텍터 전극(31)에 도달하면, A/D 컨버터(70)는 디텍터 전극(31)에 연결된 프리엠프(160)의 아날로그 출력값을 디지탈 값으로 변환하여 출력한다. 주제어부(150)은 각각의 제어부를 제어하여 각각의 전극들 시간에 따라서 도 9에 도시된 전압이 인가되도록 제어한다.
도 10은 본 발명에 따른 이온 이동도 분석기를 듀얼로 사용한 실시예의 개략도이다. 본 실시예와 같이, 두 개의 디스트 타입 이온 이동도 분석기를 두개의 3-way 솔레노이드 밸브(210, 220)를 사용하여 도시된 것과 같이 연결하면, 동일한 시료 가스에 대하여 두개의 이온 이동도 센서를 병렬과 직렬로 사용할 수 있다. 병렬 사용은 동일한 시료 가스를 각각의 이온 이동도 분석기에 동시에 분배하여 공급하고 음이온과 양이온을 각각 검출하도록 사용하는 방법이다. 직렬 사용은 동일한 시료 가스에 대하여 먼저 하나의 이온이동도 분석기를 사용하여 음이온을 검출하고 배출된 시료가스에 대하여 순차로 다른 하나의 이온 이동도 분석기를 사용하여 양이온을 검출하는 방법이다.
먼저 병렬로 사용하는 방법에 대하여 설명한다. 도 10에서 솔레노이드 밸브(220)의 포트 221과 포트 223이 연통되도록 선택하고, 솔레노이드 밸브(210)의 포트 211과 포트 212가 연통되도록 선택한다. 상기와 같이 선택하면, 펌프(61)의 작동에 의하여 필터(61)을 통과한 시료가스는 각각의 이온 이동도 센서(100, 1000)의 입력포트(41, 1041)로 동시에 공급되고, 출력포트(42, 1042)에서 동시에 배출된다. 이 경우, 제1 이온이동도 분석기(100)로 음이온을 측정하도록 제어하고, 제2 이온이동도 분석기(1000)로 양이온을 검출하도록 제어하면 동시에 음이온과 양이온을 병렬적으로 측정이 가능하다.
다음으로 직렬로 사용하는 방법에 대하여 설명한다. 도 10에서 솔레노이드 밸브(220)의 포트 222와 포트 223이 연통되도록 선택하고, 솔레노이드 밸브(210)의 포트 211과 포트 213이 연통되도록 선택한다. 상기와 같이 선택하면, 펌프(61)의 작동에 의하여 필터(61)를 통과한 시료가스는 제1 이온 이동도 분석기(100)의 입력포트(41)로 공급되고, 출력포트(42)로 배출되고 밸브(210)과 밸브(220)을 통하여 제1 이온 이동도 분석기(1000)의 입력포트(1042)로 공급되고, 출력포트(1042)와 펌프(61)를 통하여 배출된다. 이경우, 제1 이온이동도 분석기(100)에서 양이온을 검출하고, 제2 이온 이동도 분석기(1000)에서 음이온을 검출하면 순차로 동일한 시료에 대하여 음이온과 양이온을 검출한 결과를 얻을 수 있다.
아래의 [표 1]은 도 10에 도시된 구성을 가지고 한가지 종류의 시료가스에 대하여 네가지 종류의 이온 이동도 분석 결과를 구할 수 있음을 나타낸다.


IMS 1
IMS 2

PARALLEL
POSITIVE ION 1
NEGATIVE ION 1


SERIAL
POSITIVE ION 1
NEGATIVE ION 2

NEGATIVE ION 1
POSITIVE ION 2
도 10에 도시된 구성의 듀얼 디스트 이온이동도 분석 시스템을 만들면, 한가지 시료 가스에 대하여 네가지 종류의 이온 스펙트럼 검출 결과 정보를 얻을 수 있으므로, 가스의 성분 분석의 정확도를 높일 수 있게 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
본 발명에 의한 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기는 코로나 방전을 이용하므로 친환경적으로 화학물질을 검출할 수 있다. 또한, 구조가 간단하여 소형의 이온 이동도 분석기를 저가로 제조할 수 있다. 본 발명에 의한 이온 이동도 분석기는, 산업현장에서 유해한 물질이 배출되는 것을 감시하거나, 공항이나 지하철과 같은 다중이 모이는 장소에서 폭발물이나 유해한 화학물질의 검출에 사용할 수 있다.
10 이온화 영역 11 이온화 챔버
12 제2전극 13, 14 제1전극
20 드리프트 영역 21 드리프트 챔버
22, 23 드리프트 전극 24, 25 리타드 전극
30 이온 검출부 31 디텍터 전극(패러데이 링)
32, 33 노이즈 보상용 더미 전극 40 중공 실린더 통체
41 입구포트 42 출구포트
43 드리프트 포트
50, 51 헬름홀츠 코일 60 시료 가스 필터
61 펌프 62 드리프트 가스 필터
70 A/D 컨버터 80 리타드 전압 제어부
90 드리프트 전압 제어부 110 셔터 그리드 전압 제어부
120 고전압 제어부 130 펌프 제어부
140 헬름홀츠 코일 제어부 150 주제어부
160 프리 앰프

Claims (7)

  1. 중공의 실린더 형상의 통체(40)와,
    중심선이 통체의 중심선(X)과 일치하고, 마주보는 단부면이 일정한 간격(d1)을 갖도록 통체(40)의 축방향 내측 상부면(40a)과 하부면(40b)에 각각 고정된 한 쌍의 환상의 셔터 그리드 전극(15, 16)과,
    상기 셔터 그리드 전극(15, 16)의 내측에 위치하고 통체의 내측 상부면(40a)과 하부면(40b)에 중심선이 통체의 중심선과 일치하도록 각각 고정된 한 쌍의 환상의 제1전극(13, 14)과,
    상기 제1전극(13, 14)의 내측에 설치된 제2전극(12)과,
    상기 통체(40)의 반경 방향 내주면에 고정된 환상의 디텍터 전극(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극(12)은, 외부의 시료 가스를 공급받기 위하여 입구(12a)가 통체의 외부와 연통되고 출구(12b)가 통체의 내부와 연통되도록 형성된 통로(12c)을 구비한 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극(12)의 통로(12c)의 출구(12b)는 복수이고, 원주방향으로 등간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    중심선이 통체(40)의 중심선(X)과 일치하고, 상기 디텍터 전극(31)의 내측에 위치하고 마주보는 단부면이 일정한 간격(d2)을 갖도록 통체(40)의 축방향 내측 상부면(40a)과 하부면(40b)에 각각 고정된 한 쌍의 환상의 리타드 전극(24, 25)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 디텍터 전극(31)의 상하에 위치하고, 상기 통체(40)의 반경 방향 내주면에 고정된 한 쌍의 환상의 노이즈 보상용 더미 전극(31)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    중앙에 관통구멍이 형성된 디스크 형상이고, 중심선이 통체(40)의 중심선(X)과 일치하고, 상기 셔터 그리드 전극(15, 16)의 외측에 위치하고 통체(40)의 축방향 내측 상부면(40a)과 하부면(40b)에 각각 고정된 한 쌍의 드리프트 전극(22, 23)을 더 포함하고,
    상기 각각의 드리프트 전극(22, 23)의 내측 주연부는, 셔터 그리드 전극의 단부면을 향하여 절곡된 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통체의 외측 상부면과 하부면에 각각 배치된 나선형으로 같은 방향으로 권선된 한 쌍의 헬름홀츠 코일(50, 51)을 더 포함하고,
    상기 헬름홀츠 코일(50, 51)의 내측 주연부는 상기 셔터그리드 전극(15, 16)과 상기 제1전극(13, 14) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 디스크 타입 이온 이동도 분석기.

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