RU2221310C2 - Спектрометр подвижности ионов с усовершенствованной дрейфовой областью, способ его изготовления и ограничительное кольцо этого спектрометра (варианты) - Google Patents

Abstract

Спектрометр подвижности ионов с более прямолинейной траекторией пролета ионов через нелинейную дрейфовую область, которая получается за счет улучшения характеристик электрического поля в результате продления ограничительных колец в нелинейную дрейфовую область. Усовершенствованное охранное кольцо с надставками, идущими в сторону линейной дрейфовой области. Изобретение относится к области спектрометрии и используется для обнаружения атомов и молекул в пробе газа. Технический результат - улучшение разрешающей способности спектрометра. В спектрометре использовано усовершенствованное ограничительное кольцо с надставками, идущими в сторону нелинейной дрейфовой области. Надставка может быть выполнена в виде диска, установленного продольно посередине ограничительного кольца. Во втором варианте ограничительного кольца во внутренней полости выполнен ряд выступов по направлению к центру ограничительного кольца, но не доходящих до центра. 4 с. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Спектрометр подвижности ионов (СПИ) - это устройство, которое используется главным образом для обнаружения атомов и молекул в данной пробе газа. В основе создания спектрометра подвижности ионов лежит теория, в соответствии с которой каждый ионизированный атом или каждая ионизированная молекула имеют только ему (ей) присущие размеры, форму и отношение массы к заряду и когда к ионизированному атому или ионизированной молекуле, удерживаемому (удерживаемой) в данном положении в результате столкновений с атомами (молекулами) основного газа, прикладывается электрическая или магнитная сила, то он (она) начинает перемещаться с определенной скоростью. Эту скорость можно измерить и таким образом можно идентифицировать тип атома или молекулы.

Прототипы СПИ выполняются, в основном, в виде цилиндра, работающего при атмосферном давлении. На вход цилиндра с одного его конца поступает проба газа, которая под действием электрического поля перемещается через весь цилиндр и поступает на противоположный конец, где выполняются измерения. Та часть цилиндра, куда поступает газ, называется областью реакции ионизированных молекул. Этот участок, известный как дрейфовая область, отделен от остального цилиндра управляющей сеткой. Управляющая сетка выполнена в виде ряда параллельно установленных проволок с разноименными зарядами. Поэтому эта сетка эффективно удерживает большую часть заряженных частиц, содержащихся в области реакции ионизированных молекул до тех пор, пока заряды не пропадут при контакте с поверхностью.

Металлические кольца, установленные последовательно вдоль всего цилиндра, называются ограничительными кольцами (кольцами-ограничителями отклонений) и создают последовательность электрических полей, которые обеспечивают градиент электрического поля вдоль центральной части цилиндра. Это поле обеспечивает продвижение ионов через дрейфовый газ внутри цилиндра СПИ при открытой управляющей сетке. Время, необходимое иону для достижения коллекторного электрода, может быть измерено с точностью до миллисекунд. Так как каждый ион имеет свои неповторимые размер, форму и отношение массы к заряду, то время прохождения каждой частицы через СПИ является величиной уникальной. В частности, с помощью данного устройства можно зарегистрировать химическое соединение при концентрации одна часть на миллион.

Однако процесс определения газа при таких низких концентрациях относится к области чувствительного анализа. Чем меньше концентрация газа, тем труднее определить присутствие частицы при наличии фоновых сигналов, известных как шумы. Кроме того, если время пролета ионизированного атома или ионизированной молекулы через СПИ равно времени пролета атома или молекулы более распространенного газа, то сигнал ионизированного атома или ионизированной молекулы может быть потерян в случае, если система не обладает достаточным разрешением.

Способ решения этой проблемы состоит в проведении повторных измерений, которые выполняются десятки, сотни или даже тысячи раз, и этот процесс называется усреднением сигнала. Таким образом этот сигнал становится явным на фоне шума даже при очень низких концентрациях. Однако, если система не обладает достаточной точностью, слабый сигнал может потеряться, если он следует за сильным сигналом. Кроме того, на практике не всегда имеется возможность повторять процесс детектирования сотни или тысячи раз, например, при испытаниях токсичных газов в реальном масштабе времени.

Поэтому, полезным и необходимым является все, что может улучшить отношение сигнал/шум и повысить четкость сигнала.

Одной из причин ухудшения сигнала являются сами ограничительные кольца. Ограничительные кольца образуют внутреннее пространство, по которому проходят ионы. Средняя часть внутреннего пространства называется линейной областью. Диаметр этой области составляет примерно половину диаметра внутреннего пространства, образованного ограничительными кольцами. В этом пространстве ионы перемещаются по прямолинейным траекториям. Чем ближе к ограничительным кольцам начинается полет иона, в зоне между ограничительными кольцами и центральной линией цилиндра, тем сильнее дрейф ионов, направленный к границам цилиндра. Наличие этой области линейного электрического поля обусловлено близостью ионов к ограничительным кольцам. Чем ближе к ограничительным кольцам, тем больше боковой дрейф иона и длиннее его траектория. Это приводит к появлению менее четкого сигнала, так как некоторые из ионов и молекул, на которых проводится измерение, затрачивают больше времени для достижения коллекторного электрода, ввиду того, что их траектория отклоняется от прямой линии. Кроме того, в результате дрейфа некоторые из ионов ударяются в крепеж сетки или в другие барьеры и становятся совершенно бесполезными с точки зрения измерения сигнала.

Предпринимались попытки решить эту проблему. Одно из таких решений состоит в блокировке, или несчитывании ионов, пролет которых не проходит в линейной зоне. Это обеспечивает более однородное время пролета ионов, на которых проводится измерение, и более четкий максимум. Однако блокируется считывание большого числа ионов на коллекторе и это уменьшает отношение сигнал/шум, так как площадь внешней линейной дрейфовой области значительно больше площади поверхности внутренней линейной дрейфовой области.

Необходимо найти такой способ улучшить линейность электрического поля, при применении которого ионы, проходящие через дрейфовую область, показывали бы одинаковое время пролета, что улучшило бы четкость сигнала без ухудшения отношения сигнал/шум.

Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является уменьшение отклонения траектории ионов в дрейфовой области СПИ от прямолинейной, что улучшает разрешающую способность спектрометра.

Ограничительные кольца СПИ создают электрическое поле, которое продвигает ионы через СПИ. Однако вблизи ограничительных колец ионы отклоняются от прямолинейной траектории в сторону стенки СПИ. В одном варианте изобретения применяются сужающие надставки, которые проходят хотя бы от одного ограничительного кольца к центральной оси СПИ. Эти надставки конструктивно выполняются в виде дисков, устанавливаемых на внутреннюю часть ограничительного кольца, при этом внутренний диаметр диска меньше внутреннего диаметра ограничительного кольца.

В другом варианте настоящего изобретения сужающий выступ, идущий к центральной оси, предусмотрен на каждом ограничительном кольце СПИ. Еще в одном примере настоящего изобретения все надставки имеют одинаковый размер.

В одном варианте изобретения сужающие надставки предусмотрены, по крайней мере, на двух ограничительных кольцах, причем одно из этих колец ближе других располагается к экранирующей сетке и коллектору. В этом варианте надставка ограничительного кольца, ближе других расположенная к экранирующей сетке, имеет самую большую величину. Еще в одном примере варианта устройства по настоящему изобретению такие надставки предусмотрены для каждого ограничительного кольца, при этом самая меньшая надставка предусмотрена для ограничительного кольца, ближе других расположенного к управляющей сетке, и чем ближе кольцо расположено к коллектору, тем больше размер надставки.

Еще в одном варианте устройства по настоящему изобретению, надставки ограничительного кольца в дрейфовой области выполняются не в виде однородного диска, а заканчиваются выступами, например, шипами.

Способ изготовления рассматриваемого спектрометра подвижности ионов заключается в последовательном выполнении этапов формирования данного устройства, основу которого по существу представляет цилиндр. Требуется последовательное выполнение операций, заключающихся в организации внутреннего рабочего пространства СПИ. Этапы формирования СПИ заключаются в следующем:
- установка последовательности металлических колец, каждое из которых имеет внутренний и наружный диаметры и ширину, при этом указанные металлические кольца образуют цилиндр с двумя концами и центральной областью; последовательность металлических колец создает градиент электрического поля по длине центральной области;
- установка управляющей сетки с одного конца указанной последовательности металлических колец и экранирующей сетки - с другой, противоположной стороны указанной последовательности металлических колец;
- установка коллектора ионов со стороны указанной экранирующей сетки;
- установка по крайней мере одного второго металлического кольца с внутренним и наружным диаметрами и шириной, расположенного в средней части по крайней мере одного из указанных металлических колец. Следует отметить, что внутренний диаметр и ширина указанного второго металлического кольца меньше внутреннего диаметра и ширины указанных металлических колец, при этом указанное второе металлическое кольцо дальше заходит в центральную область, чем указанные металлические кольца.

Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображено продольное сечение прототипного СПИ.

На фиг.2А и 2В показано трехмерное изображение внутренней области СПИ.

На фиг. 3 показана часть продольного сечения прототипного СПИ с изображением дрейфовой области и линейной области, а также примеры траектории пролета ионов в этих областях.

На фиг.4 показано продольное сечение варианта СПИ по настоящему изобретению.

На фиг.5 показано продольное сечение варианта СПИ по настоящему изобретению с изображением дрейфовой области и линейной области, а также примеры траектории пролета ионов в этих областях.

На фиг. 6А и 6В показаны графики сравнения времени пролета ионов в прототипном СПИ и СПИ по настоящему изобретению.

На фиг.7 показан пример считывания СПИ.

Подробное описание чертежей
На фиг.1 изображено продольное сечение прототипного СПИ. По существу СПИ представляет из себя полый цилиндр, образованный последовательно уложенными кольцами, называемыми ограничительными кольцами 1. Эти ограничительные кольца имеют электрический заряд разного уровня для создания градиента электрического поля вдоль центральной оси СПИ. Обычно ограничительные кольца выполняются из нержавеющей стали и отделяются друг от друга изолятором. Для этой цели хорошо подходят небольшие валики из сапфира. Затем последовательность ограничительных колец очехловывается с образованием основного корпуса СПИ.

Образованный таким образом один конец цилиндра является областью реакции ионизированных молекул 2, в которую впрыскивается необходимая проба газа, атомы и молекулы которой получают электрический заряд. Область реакции ионизированных молекул отделяется от остального цилиндра управляющей сеткой 3, которая выполняется в виде ряда близко расположенных друг к другу параллельных проволок с разноименными зарядами. Эта управляющая сетка эффективно удерживает заряженные частицы, собранные в области реакции ионизированных молекул 2, пока они не пропадут через микросекундные интервалы.

Затем с помощью градиента электрического поля, созданного ограничительными кольцами 1, заряженные атомы и молекулы, ионы, проходят через СПИ. В течение нескольких миллисекунд они попадают на коллектор ионов 4, который регистрирует их воздействие, измеряя, таким образом, время пролета иона через СПИ. В СПИ также имеется экранирующая сетка 5, установленная на крепежном устройстве экранирующей сетки 6, которая крепится в непосредственной близости от коллектора ионов 4 часто на расстоянии меньше полмиллиметра. Ионы проходят через экранирующую сетку перед соударением с коллектором ионов 4.

Центральная ось 7 - это невидимая линия, проходящая через центр СПИ. На фиг.2А также показана центральная ось 7. Обычно внутреннее пространство времяпролетного масс-спектрометра вакуумируется, и ионы перемещаются в вакууме. Однако данный СПИ наполняется однородным газом под атмосферным давлением. Время пролета ионов через наполненный газом СПИ отличается от времени пролета ионов в вакууме, но оставляемый ионами след все равно уникален и для измерения концентрации частиц могут применяться известные способы, но при этом не надо решать проблемы, связанные с поддержанием вакуума. На фиг.2В показан разрез устройства с фиг.2А.

На фиг. 3 показана верхняя часть продольного разреза с фиг.1 с изображением дрейфовой области 8, линейной области 9 (с более прямолинейным электрическим полем) и траектории пролета различных ионов 10, идущие через одинаковые интервалы от центральной оси 7. Дрейфовая область 8 начинается приблизительно с середины расстояния между центральной осью 7 и ограничительными кольцами 1, и электрическое поле в ней менее прямолинейно. Чем ближе ионы к ограничительным кольцам 1 в начале своего полета, тем больше дрейф иона по направлению к внешней границе СПИ. В результате этого дрейфа путь иона в СПИ удлиняется, и это приводит к размыванию пика сигнала. Кроме того, отклонение некоторых ионов от прямолинейной траектории настолько велико, что эти ионы сталкиваются с крепежным устройством экранирующей сетки 6, и поэтому их сигнал пропадает. Это приводит к снижению отношения сигнал/шум.

На фиг.4 показан пример устройства по настоящему изобретению. Надставки 20, предусмотренные на внутренних окружностях ограничительных колец, заходят в дрейфовую область (не отмечена) и улучшают электрическое поле в этой области, не ухудшая при этом траекторию пролета ионов. На фиг.4 все ограничительные кольца снабжены надставками (за исключением ограничительного кольца, расположенного в непосредственной близости от управляющей сетки). Надставка, ближе других расположенное к коллектору 21, дальше других заходит в дрейфовую область. В зависимости от модификации устройства по этому варианту изобретения отдельные ограничительные кольца могу не иметь надставок, или надставки могут быть одинаковой или возрастающей величины.

В предпочтительном примере осуществления изобретения надставки принимают форму, по крайней мере, одного второго металлического кольца, которое может иметь более маленькие внутренний и наружный диаметры и меньшую ширину, чем ограничительные кольца. Это второе кольцо расположено, по крайней мере, в одном ограничительном кольце и находится посредине между, по крайней мере, одним кольцом в предпочтительном примере осуществления изобретения, и, по крайней мере, одно второе кольцо расположено между ограничительными кольцами в альтернативном примере осуществления изобретения. Вторые кольца могут иметь различную ширину и внутренний и наружные диаметры. Внутренний диаметр второго кольца может иметь конфигурацию звезды или круга. Звездочная конфигурация предполагает наличие выступов, которые распространяются к центральной области.

На фиг.5 показана траектория пролета ионов в усовершенствованном варианте СПИ. Ионы в дрейфовой области все еще испытывают некоторый дрейф, но как показано на фиг.6А, планируемое улучшение в некоторых случаях составляет до 20%. На фиг.6А дельта-Y является величиной дрейфа в сторону от центра, а номер иона представляет теоретический ион, отстоящий на определенном расстоянии от центральной линии, например, ион 1 находится на центральной линии, а ион 28 - самый дальний из ионов, на которых проводится измерение. Верхняя кривая с кружками представляет ионы в прототипном СПИ, а нижний график с улучшенной дельтой-Y представляет ионы, проходящие через СПИ по варианту настоящего изобретения, показанному на фиг.6А. Чем дальше ионы отстоят от центральной линии, тем больше характеристика дельта-Y. Важно отметить, что число действительных ионов, представленных ионами на фиг.6А, возрастает с увеличением расстояния от центральной линии. На фиг.6В показан такой же график, где дрейф представлен в виде времени пролета.

На фиг. 7 показан пример считывания сигнала, производимого СПИ. В этом примере графика показана потеря более малого пика, идущего следом за большим пиком, если сигнал недостаточно четок.

Claims (14)

1. Спектрометр подвижности ионов, включающий последовательность металлических колец, каждое из которых имеет внутренний и наружный диаметры и ширину, при этом указанные металлические кольца образуют цилиндр с двумя концами и центральной областью; указанная последовательность металлических колец создает градиент электрического поля по длине центральной области; управляющую сетку с одного конца указанной последовательности металлических колец; коллектор ионов на конце указанной последовательности металлических колец, противоположном концу управляющей сетки; по крайней мере одно второе металлическое кольцо с внутренним и наружным диаметрами и шириной, расположенное в средней части по крайней мере одного из указанных металлических колец, отличающийся тем, что внутренний диаметр и ширина указанного второго металлического кольца меньше внутреннего диаметра и ширины указанных металлических колец, при этом указанное второе металлическое кольцо дальше заходит в центральную область, чем указанные металлические кольца.

2. Спектрометр подвижности ионов по п.1, отличающийся тем, что указанное второе металлическое кольцо расположено в средней части по крайней мере двух из указанных металлических колец.

3. Спектрометр подвижности ионов по п.2, отличающийся тем, что указанные вторые металлические кольца имеют разные внутренние диаметры.

4. Спектрометр подвижности ионов по п.2, отличающийся тем, что указанные вторые металлические кольца имеют разную ширину.

5. Спектрометр подвижности ионов по п.1, отличающийся тем, что указанное второе металлическое кольцо расположено в средней части всех указанных металлических колец.

6. Спектрометр подвижности ионов по п.5, отличающийся тем, что указанные вторые металлические кольца имеют разные внутренние диаметры.

7. Спектрометр подвижности ионов по п.5, отличающийся тем, что указанные вторые металлические кольца имеют разную ширину.

8. Спектрометр подвижности ионов по п.1, отличающийся тем, что контур внутреннего отверстия указанного второго металлического кольца выполнен в виде звезды, а не окружности, при этом последовательность выступов отходит в сторону центральной области и не образует однородную окружность.

9. Спектрометр подвижности ионов по п.6, отличающийся тем, что указанное второе металлическое кольцо, ближе других расположенное к экранирующей сетке, имеет наименьший внутренний диаметр из всех указанных вторых металлических колец.

10. Спектрометр подвижности ионов по п.2, отличающийся тем, что одно из указанных вторых металлических колец расположено в средней части металлического кольца, ближе других расположенного к коллектору ионов.

11. Спектрометр подвижности ионов по п.6, отличающийся тем, что указанное второе металлическое кольцо, ближе других расположенное к указанной управляющей сетке, имеет наибольший внутренний диаметр из всех указанных металлических колец и диаметр каждого последующего из указанных вторых металлических колец уменьшается по мере приближения к указанному коллектору ионов.

12. Способ изготовления спектрометра подвижности ионов, состоящий из этапов формирования: последовательности металлических колец, каждое из которых имеет внутренний и наружный диаметры и ширину, при этом указанные металлические кольца образуют цилиндр с двумя концами и центральной областью; последовательность металлических колец создает градиент электрического поля по длине центральной области; управляющей сетки с одного конца указанной последовательности металлических колец; экранирующей сетки на конце указанной последовательности металлических колец, противоположном концу указанной управляющей сетки; коллектора ионов на том же конце, что и указанная экранирующая сетка; по крайней мере одного второго металлического кольца с внутренним и наружным диаметрами и шириной, расположенного в средней части по крайней мере одного из указанных металлических колец, отличающийся тем, что внутренний диаметр и ширина указанного второго металлического кольца меньше внутреннего диаметра и ширины указанных металлических колец, при этом указанное второе металлическое кольцо дальше заходит в центральную область, чем указанные металлические кольца.

13. Ограничительное кольцо, выполненное в виде кольца, имеющего ширину, центр, внутренний диаметр и наружный диаметр, отличающееся тем, что усовершенствование включает надставку ограничительного кольца, идущее от внутренней окружности к центру с шириной, меньшей ширины указанного ограничительного кольца, при этом образуется окружность второго внутреннего диаметра, который меньше внутреннего диаметра ограничительного кольца, при этом надставка выполнена в виде диска, установленного продольно посередине указанного ограничительного кольца.

14. Ограничительное кольцо, выполненное в виде кольца, имеющее ширину, центр, внутренний диаметр и наружный диаметр, отличающееся тем, что усовершенствование включает целый ряд выступов, идущих от внутреннего диаметра указанного ограничительного кольца по направлению к центру указанного ограничительного кольца, при этом выступы не доходят до центра.

Images