PL225522B1 - Sposób wytwarzania pola elektrycznego w komorze spektrometru ruchliwości jonowej i komora spektrometru ruchliwości jonowej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania pola elektrycznego w komorze spektrometru ruchliwości jonowej i komora spektrometru ruchliwości jonowej urządzenia przeznaczonego do wykrywania skażeń chemicznych.

Znana komora detektora spektrometru ruchliwości jonowej (IMS) podzielona jest na dwa obszary. Pierwszym jest obszar jonizacji przepływającego gazu, drugim tzw. obszar dryftowy. W obszarze jonizacji, przebiegającym od membrany półprzepuszczalnej do siatki dozującej, znajduje się źródło promieniotwórcze służące do jonizacji przepływającego gazu za pomocą źródła β- lub a-promieniotwórczego. W obszarze dryftowym, przebiegającym od siatki dozującej do elektrody zbiorczej, znajduje się zespół równolegle usytuowanych pierścieni metalowych. Do siatki przed źródłem promieniotwórczym podawane jest wysokie napięcie (na ogół od 1,5 kV do 3 kV), natomiast pierścienie metalowe kolejno od źródła do elektrody zbiorczej posiadają coraz niższe potencjały. Wobec tego pole elektryczne w komorze jest tak ukształtowane, żeby jony od obszaru jonizacji przemieszczały się po torach liniowych do elektrody zbiorczej. Większość substancji gazowych ma różne ruchliwości, a zatem czas przelotu jonów przez obszar dryftowy jest różny co daje możliwość ich identyfikacji.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 187 470 znana jest komora spektrometru ruchliwości jonów. W obszarze dryftowym komory znajduje się zespół pierścieni metalowych, wytwarzających elektryczne pole liniowe, poprzedzielanych pierścieniami ceramicznymi, spełniającymi funkcje izolatorów.

Z europejskiego opisu patentowego EP 2 343 546 znany jest spektrometr ruchliwości jonowej. W obszarze dryftowym komory znajdują się metalowe pierścienie, wytwarzające elektryczne pole liniowe.

Istota sposobu wytwarzania pola elektrycznego w komorze spektrometru ruchliwości jonowej, według wynalazku, polega na tym, że do elektrody sterującej przykłada się przemiennie napięcie o wysokiej częstotliwości wynoszącej od 10 kHz do ok. 200 kHz, a następnie napięcie stałe, zaś do obszaru dryftowego komory wprowadza się jony zjonizowanego gazu przez otwór wlotowy o wymiarach rzędu φ 0,2 mm.

Istota komory spektrometru ruchliwości jonowej, według wynalazku, zawierającej wlot i wylot gazu, strefę jonizacji gazu oraz strefę roboczą, w której znajduje się elektroda sterująca i elektroda zbiorcza, polega na tym, ze strefa robocza z elektrodą sterującą oraz elektrodą zbiorczą wydzielona jest za pomocą trwałych ścianek i znajduje się pomiędzy strefą jonizacji i strefą wylotową gazu, z którymi jest połączona, przy czym z obszarem jonizacji jest połączona za pomocą diafragmy. We wszystkich strefach znajduje się elektroda sterująca, która połączona jest z generatorem napięcia sterując ego, zaś w strefie jonizacji i strefie wylotowej znajdują się elektrody pomocnicze o napięciu 0 V.

Zamiast typowego układu sterowania siatką zastosowano zmienne pole elektryczne jako układ pułapki z jonami. Układ praktycznie jest niewrażliwy na wibracje - brak siatki sterującej. Komora pracuje jako układ całkujący i czas dolotu jonów należy wyodrębniać jako maksima pochodnej sygnału otrzymywanego z elektrody zbiorczej.

W wyniku jonizacji gazu za pomocą źródła promieniotwórczego wytwarzany jest prąd jonizacji od kilku do kilkunastu nA, jony przechodzą do obszaru dryftowego przez otwór o niewielkich wymiarach co powoduję, że do części dryftowej dociera niewielka część prądu jonowego - ok. 5%.

Pole elektryczne w części dryftowej komory uformowane jest w sposób liniowy pomiędzy elektrodami lecz jednak zmienny, o częstotliwości od 0,1 Hz do ok. 20 kHz. Niska i wysoka częstotliwość jest podawana skokowo. W trakcie podawania wysokiej częstotliwości - jony odprowadzane są do elektrody sterującej natomiast obszar dryftowy jest pozbawiony jonów. Po podaniu niskiej częstotliw ości na elektrodzie zbiorczej pojawia się prąd jonowy.

W komorze wprowadzono dodatkowo obszar jonizacji i obszar wylotowy wraz z elektrodami, które zabezpieczają przed deformacją pola elektrycznego wewnątrz obszaru roboczego, a jednocześnie pełnią rolę buforów gazowych oraz zapewniają możliwość podłączenia króćców powietrza.

Wynalazek został przedstawiony, w przykładzie wykonania w poniższym przykładzie i zilustrowany rysunkami, gdzie fig. 1 przedstawia schemat budowy komory, fig. 2 pokazuje przebieg jonów w strefie roboczej, fig. 3 obrazuje cykl napięciowy sterowania komory, fig. 4 przedstawia prąd jonowy.

P r z y k ł a d

Pomiędzy elektrodą sterującą usytuowaną w strefie jonizacji a elektrodą zbiorczą oraz elektrodą pomocniczą usytuowaną w strefie jonizacji wytwarzane jest zmienne pole elektryczne zgodnie

PL 225 522 B1 z fig. 3. Dla fazy od t₀ do ti oraz od t₂ do t₃ generowany jest przebieg o częstotliwości ok 10 kHz i amplitudzie ok. 10 V, wówczas jony dodatnie i ujemne są utrzymywane w „ścieżce jonów” jak na fig. 2.

Z chwilą t₀ gdy napięcie na elektrodzie sterującej jest wysokie (od kilku do kilkudziesięciu V), na elektrodzie zbierającej pojawia się prąd jonowy podobny do fig. 4. Jeśli w powietrzu zjonizowanym pojawią się jony o zawartości ich rodzajów jak na fig. 4, wówczas do elektrody zbiorczej w pierwszej kolejności dotrą jony o wysokiej ruchliwości K_o i z uwagi, że cały czas do części dryftowej docierają nowe jony będą one ciągle do niej docierać. Po chwili dotrą jony o niższych ruchliwościach zatem sygnał prądowy na elektrodzie będzie rósł, aż do momentu gdy wszystkie rodzaje jonów dotrą do elektrody zbiorczej.

Czas przelotu przez część dryftową d jonów o ruchliwości K wynosi _ d ^f “ K* E

Gdzie: t - czas przelotu

K - ruchliwość jonów

E - natężenie pola elektrycznego - w czasie wysokiej amplitudy fali prostokątnej W obudowie 1, wykonanej z niegazującego tworzywa Tecapeak wyodrębniono strefę jonizacji gazu 2, strefę roboczą 3 i strefę wylotową 4. Poszczególne strefy oddzielają trwałe ścianki. W ściance strefy jonizacji znajduje się wlot gazu 5, zaś w ściance strefy wylotowej wylot gazu 6. W ściance pomiędzy strefą jonizacji 2 oraz strefą roboczą 3 wykonana jest diafragma 7, zaś w ściance oddzielającej strefę roboczą 3 i strefę wylotową 4 wykonany jest otwór przelotowy gazu 8. We wszystkich strefach usytuowane są elektrody sterujące 9, w strefie jonizacji oraz wylotowej znajdują się elektrody pomocnicze 10 o potencjale 0 V, zaś w strefie roboczej znajduje się elektroda zbiorcza 11, połączona ze wzmacniaczem prądu jonowego 12. Z elektrodami sterującymi 9 połączony jest generator napięcia sterującego 13.

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania pola elektrycznego w komorze spektrometru ruchliwości jonowej, znamienny tym, że do elektrody sterującej przykłada się przemiennie napięcie o wysokiej częstotliwości zawierającej się od 10 kHz do ok. 200 kHz, a następnie napięcie stałe, zaś do obszaru dryftowego komory wprowadza się jony zjonizowanego gazu przez otwór wlotowy o wymiarach rzędu φ 0,2 mm.

2. Komora spektrometru ruchliwości jonowej, zawierająca wlot i wylot gazu, strefę jonizacji gazu oraz strefę roboczą, w której znajduje się elektroda sterująca i elektroda zbiorcza, znamienna tym, że strefa robocza (3) z elektrodą sterującą (9) oraz elektrodą zbiorczą (11) wydzielona jest za pomocą trwałych ścianek i znajduje się pomiędzy strefą jonizacji (2) i strefą wylotową gazu (4), z którymi jest połączona, przy czym ze strefą jonizacji jest połączona za pomocą diafragmy (7), zaś we wszystkich strefach znajdują się elektrody sterujące (9), które połączone są z generatorem napięcia sterując ego (13), zaś w strefie jonizacji i strefie wylotowej znajdują się elektrody pomocnicze (10) o napięciu 0 V.