RU2293977C2 - Ion mobility spectrometer - Google Patents
Ion mobility spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2293977C2 RU2293977C2 RU2005104476/28A RU2005104476A RU2293977C2 RU 2293977 C2 RU2293977 C2 RU 2293977C2 RU 2005104476/28 A RU2005104476/28 A RU 2005104476/28A RU 2005104476 A RU2005104476 A RU 2005104476A RU 2293977 C2 RU2293977 C2 RU 2293977C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- gap
- lens
- electrode
- spectrometer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к дрейф-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ.The invention relates to the field of analytical instrumentation, and more particularly to drift spectrometers for detecting vapors of organic substances in air, in particular vapors of organic molecules from the class of explosive, narcotic and physiologically active substances.
Известен дрейф-спектрометр для обнаружения паров органических веществ в воздухе [1], содержащий последовательно расположенные по направлению прокачки воздуха через спектрометр устройство для ионизации паров органических веществ в воздухе, например, на основе радиоизотопного источника излучения, устройство для разделения ионов по параметрам дрейфовой подвижности ионов, образованное двумя коаксиальными цилиндрическими электродами, между которыми имеется зазор, и устройство для сбора ионов, состоящее из коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.A known drift spectrometer for detecting vapors of organic substances in air [1], comprising a device for ionizing vapors of organic substances in air, for example, based on a radioisotope radiation source, a device for separating ions according to parameters of ion drift mobility, sequentially arranged in the direction of pumping air through a spectrometer formed by two coaxial cylindrical electrodes, between which there is a gap, and an ion collection device, consisting of an ion collector and an electrode for I regulate the current of ions.
Основными недостатком известного устройства являются отсутствие селективности радиоизотопного ионизатора по отношению к определенным классам органических веществ, высокая чувствительность эффективности ионизации к колебаниям влажности воздуха, прокачиваемого через спектрометр и, что более существенно, низкая разрешающая способность спектрометра. Последнее связанно с тем, что при радиоизотопной ионизации одновременно образуется широкий спектр типов ионов, имеющих к тому же как положительный, так и отрицательный электрический заряд. Указанные ионы, поступая в устройство для разделения ионов, сначала разделяются на положительные и отрицательные ионы, затем на электродах устройства оседает избыточный объемный заряд ионного пучка и лишь затем оставшиеся ионы разделяются по их типу. То есть для анализа типа ионов используется только небольшая часть устройства для разделения ионов, с чем и связана его низкая разрешающая способность. Поэтому достигнутая в современной технике разрешающая способность дрейф-спектрометров коаксиального типа с радиоизотопной ионизацией паров органических молекул недостаточна для уверенного разделения всех этих ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе.The main disadvantage of the known device is the lack of selectivity of the radioisotope ionizer with respect to certain classes of organic substances, the high sensitivity of the ionization efficiency to fluctuations in the humidity of the air pumped through the spectrometer and, more significantly, the low resolution of the spectrometer. The latter is due to the fact that, during radioisotope ionization, a wide spectrum of types of ions is simultaneously formed, which also have both a positive and a negative electric charge. These ions entering the ion separation device are first separated into positive and negative ions, then the excess space charge of the ion beam is deposited on the electrodes of the device, and only then the remaining ions are separated by their type. That is, for the analysis of the type of ions, only a small part of the device for separating ions is used, which is why its low resolution is associated. Therefore, the resolving power of coaxial-type drift spectrometers with radioisotope ionization of vapors of organic molecules achieved in modern technology is insufficient to reliably separate all these ions by the parameters of their drift mobility in air.
Наиболее близким к заявленному изобретению является спектрометр ионной подвижности [2], включающий последовательно расположенные вдоль аксиальной оси симметрии спектрометра источник ионов, например, с радиоизотопной, лазерной или поверхностной ионизацией органических молекул, поступающих в спектрометр в составе анализируемого потока воздуха, электрически изолированную ионную линзу, имеющую центральный канал диаметром d, сообщающийся с полостью источника ионов, устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, выполненное в виде дрейфового пространства, образованного зазором между внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D1 внешнего и внешней цилиндрической частью поверхности диаметром D3<D1 внутреннего электродов устройства, причем зазор между электродами устройства сообщается с центральным каналом ионной линзы, и блок коллектора ионов, соединенный с устройством для разделения ионов через электрические изоляторы, при этом сторона ионной линзы, совмещенная с центральным каналом и обращенная в сторону устройства для разделения ионов, выполнена в виде расширяющегося канала, диаметр которого монотонно увеличивается от значения d до значения D1 и который на расстоянии L5 от его начала совмещен через первый электрический изолятор, имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность диаметром D1, с внутренней цилиндрической поверхностью внешнего электрода устройства для разделения ионов, при этом торец внутреннего электрода устройства для разделения ионов, обращенный в сторону ионной линзы, выполнен в виде выпуклой аксиально-симметричной поверхности, плоскость совмещения которой с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние L<L5, а вершина которой смещена от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние 0<L2<L, при этом внешняя поверхность внутреннего электрода устройства для разделения ионов совместно с внутренней поверхностью расширяющегося канала ионной линзы образуют второй зазор, имеющий переменную площадь сечения зазора.Closest to the claimed invention is an ion mobility spectrometer [2], which includes an ion source sequentially located along the axial axis of symmetry of the spectrometer, for example, with radioisotope, laser or surface ionization of organic molecules entering the spectrometer as part of the analyzed air flow, an electrically isolated ion lens, having a central channel with a diameter of d communicating with the cavity of the ion source, a device for separating ions according to their drift mobility and the air formed in a drift space defined by a gap between the inner cylindrical surface of a diameter D 1 of the outer and the outer cylindrical surface portion of diameter D 3 <D 1 internal device electrodes, the gap between the device electrodes communicates with the central ion lens channel and block the ion collector connected to a device for separating ions through electrical insulators, while the side of the ion lens, combined with the Central channel and facing the device for ion fission, made in the form of an expanding channel, the diameter of which monotonically increases from d to D 1 and which is aligned at a distance L 5 from its beginning through a first electrical insulator having an inner cylindrical surface with a diameter of D 1 and an inner cylindrical surface of the external electrode of the device for ion separation, while the end face of the internal electrode of the ion separation device facing the ion lens is made in the form of a convex axially symmetric surface, plane l combining which with the cylindrical part of the surface of the inner electrode is separated from the beginning of the expanding channel of the ionic lens by a distance L <L 5 , and the top of which is offset from the beginning of the expanding channel of the ionic lens by a distance of 0 <L 2 <L, while the outer surface of the inner electrode of the device for ion separation together with the inner surface of the expanding channel of the ionic lenses form a second gap having a variable cross-sectional area of the gap.
Данный тип спектрометра, в зависимости от выбранного типа материала термоэмиттера ионов [3], обладает высокой селективностью по отношению к определенным классам органических веществ, эффективность ионизации органических молекул на поверхности термоэмиттера слабо зависит от колебаний влажности воздуха, прокачиваемого через прибор, на поверхности поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов образуются только положительные ионы органических молекул. Поэтому в спектрометре с данным типом ионизации органических молекул в устройстве для разделения ионов отсутствует стадия разделения ионов на положительные и отрицательные, то есть его пространство дрейфа используется более эффективно. Кроме того, в ионной линзе происходит частичное снижение величины объемного заряда ионов, выходящих из источника ионов, что способствует увеличению разрешающей способности спектрометра.This type of spectrometer, depending on the selected type of material of the ion emitter [3], has high selectivity with respect to certain classes of organic substances, the ionization efficiency of organic molecules on the surface of the emitter is weakly dependent on fluctuations in the humidity of the air pumped through the device on the surface of the surface ionization thermoemitter of ions only positive ions of organic molecules are formed. Therefore, in the spectrometer with this type of ionization of organic molecules in the device for ion separation there is no stage of separation of ions into positive and negative, that is, its drift space is used more efficiently. In addition, a partial decrease in the volume charge of ions leaving the ion source occurs in the ion lens, which contributes to an increase in the resolution of the spectrometer.
Основным недостатком известного спектрометра является его недостаточно высокая разрешающая способность, обусловленная действием объемного заряда положительно заряженных ионов органических молекул [2], движущихся в спектрометре со скоростью воздушного потока, прокачиваемого через спектрометр, то есть со скоростью порядка нескольких метров или нескольких десятков метров в секунду. В связи с этим значительная часть устройства для разделения ионов используется для устранения избыточного объемного заряда ионного пучка, а не для анализа типа ионов, поступающих в устройство для разделения ионов.The main disadvantage of the known spectrometer is its insufficiently high resolution due to the action of the space charge of positively charged ions of organic molecules [2] moving in the spectrometer with the speed of the air flow pumped through the spectrometer, that is, at a speed of the order of several meters or several tens of meters per second. In this regard, a significant part of the ion separation device is used to eliminate the excess space charge of the ion beam, and not to analyze the type of ions entering the ion separation device.
В основу настоящего изобретения положена задача разработать конструкцию спектрометра ионной подвижности, обладающего высокой разрешающей способность в широком диапазоне изменения ионного тока, поступающего в спектрометр из источника ионов любого известного типа - радиоизотопного, лазерного, поверхностно-ионизационного, за счет оптимального выбора условий транспортировки ионов на вход устройства для разделения ионов по параметрам их дрейфовой через каналы ионной линзы, расположенной между источником ионов и устройством для разделения ионов. Предлагаемое техническое решение должно обеспечить, с одной стороны, максимальную передачу ионного тока из источника ионов в устройство для разделения ионов при средних и низких значениях ионного тока с автоматической сепарацией положительных или отрицательных ионов и, с другой стороны, автоматическое и пропорциональное уменьшение ионного тока на входе устройства для разделения ионов при больших значениях ионного тока, чтобы предотвратить уменьшение разрешающей способности спектрометра из-за действия объемного заряда ионов.The present invention is based on the task of developing the design of an ion mobility spectrometer having a high resolution in a wide range of changes in the ion current entering the spectrometer from an ion source of any known type — radioisotope, laser, surface ionization, due to the optimal choice of conditions for transporting ions to the input devices for separating ions according to their drift parameters through the channels of an ion lens located between the ion source and the device for separation ion ions. The proposed technical solution should ensure, on the one hand, the maximum transfer of ion current from an ion source to an ion separation device at medium and low ion currents with automatic separation of positive or negative ions and, on the other hand, an automatic and proportional decrease in the ion current at the input devices for ion separation at high ion currents to prevent a decrease in the resolution of the spectrometer due to the action of the space charge of ions.
Это достигается тем, что ионную линзу выполняют в виде по крайней мере двух аксиально-симметричных электрически изолированных электродов, а второй зазор между электродами спектрометра выполняют таким образом, что величина площади его сечения имеет по крайней мере один локальный максимум.This is achieved by the fact that the ion lens is made in the form of at least two axially symmetric electrically isolated electrodes, and the second gap between the electrodes of the spectrometer is performed in such a way that its cross-sectional area has at least one local maximum.
Величина площади сечения второго зазора имеет один локальный максимум, равный S2=(16÷40)*πd2/4, при этом диаметры цилиндрических участков поверхности внешнего и внутреннего электродов устройства для разделения ионов выбирают из условий: D1=(1,10÷1,25)*D3 и π(D1 2-D3 2)/4=(8÷15)*πd2/4.The magnitude of the sectional area of the second gap has a local maximum, equal to S 2 = (16 ÷ 40) * πd 2/4, wherein the diameters of the cylindrical portions and the inner surface of the outer electrode unit for the separation of ions selected from the conditions: D 1 = (1,10 ÷ 1,25) * D 3 and π (D January 2 -D 3 2) / 4 = (8 ÷ 15) * πd 2/4.
Расширяющийся канал ионной линзы выполняют в виде первого усеченного конуса высотой L4<L, переходящего во второй цилиндрический канал ионной линзы диаметром D1, сопряженный по внутреннему диаметру с первым электрическим изолятором, выпуклую часть поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов выполняют в виде двух сопряженных по диаметру D4<D3 первого конуса, обращенного вершиной в сторону центрального канала ионной линзы, и второго усеченного конуса, сопряженного по большему диаметру D3 с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, а плоскость сопряжения первого конуса и второго усеченного конуса отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстоянии L1<L4, при этом угол между образующими первого конуса меньше угла между образующими первого усеченного конуса, а угол между образующими второго усеченного конуса больше угла между образующими первого усеченного конуса, причем величины L1 и D3 выбирают из условия, что сечение S2 локального максимума площади сечения второго зазора совпадает с усеченной конусной поверхностью, проведенной во втором зазоре таким образом, что ее образующие сопряжены с линией сопряжения первого конуса и второго усеченного конуса внутреннего электрода устройства для разделения ионов.The expanding channel of the ionic lens is made in the form of a first truncated cone with a height of L 4 <L, passing into the second cylindrical channel of an ionic lens with a diameter of D 1 , conjugated along the inner diameter with the first electrical insulator, the convex part of the surface of the inner electrode of the ion separation device is made in the form of two conjugated the diameter D 4 <D 3 of the first cone, the vertex facing in the direction of the central ion channel lens, and a second truncated cone, the conjugate of the larger diameter D 3 of the cylindrical part of dressing rhnosti internal device electrode for ion separation, and the plane interfacing the first cone and a second truncated cone is spaced from the start of the expanding channel ion lens at a distance L 1 <L 4, wherein the angle between the generators of the first cone is less than the angle between the generators of the first truncated cone, and the angle between forming a second truncated cone greater than the angle between the generators of the first truncated cone, wherein the quantity L 1 and D 3 is selected from the condition that the cross section S 2 the local maximum sectional area of the second gap coincides with y echennoy tapered surface, held in the second gap so that its image conjugate to the line interface of the first cone and a second truncated cone internal electrode apparatus for the separation of ions.
Величина площади сечения второго зазора имеет второй локальный максимум, равный S1=(5,5÷15)*πd2/4 и лежащий в плоскости сечения второго зазора по конусной поверхности, проведенной в зазоре таким образом, что вершина этой конусной поверхности совмещена с вершиной выпуклой поверхности торца внутреннего электрода устройства для разделения ионов, при этом вершина первого конуса внутреннего электрода выполнена в виде выпуклой шаровой поверхности, сопряженной по касательным с образующими первого конуса внутреннего электрода на расстоянии L3 от начала расширяющегося канала ионной линзы, причем L2<L3<L1.The magnitude of the sectional area of the second gap has a second local maximum, equal to S 1 = (5,5 ÷ 15) * πd 2/4 and lying in a plane cross section of the second gap on the conical surface, held in the gap in such a way that the vertex of the conical surface is aligned with vertex of the convex surface of the inner end of the electrode device for the separation of ions, wherein the vertex of the first cone of the inner electrode is formed as a convex spherical surface, the tangent of the conjugate with the first cone forming the inner electrode at a distance of L 3 ion channel starts expanding lens, wherein L 2 <L 3 <L 1.
Величину L3 выбирают из условия, что величина площади сечения S3 второго зазора по усеченной конусной поверхности, проведенной во втором зазоре таким образом, что ее образующие перпендикулярны образующим первого усеченного конуса и сопряжены с линией сопряжения шаровой и конусной поверхностей внутреннего электрода устройства для разделения ионов, лежит в интервале S3=(1÷5)*πd2/4.The value of L 3 is chosen from the condition that the cross-sectional area S 3 of the second gap along the truncated conical surface, held in the second gap so that its generators are perpendicular to the generators of the first truncated cone and are conjugated with the conjugation line of the spherical and conical surfaces of the inner electrode of the ion separation device lies in the range 3 S = (1 ÷ 5) * πd 2/4.
Заявленная конструкция иллюстрируется следующими чертежами.The claimed design is illustrated by the following drawings.
Фиг.1 - конструктивная схема заявляемого спектрометра в варианте исполнения с поверхностно-ионизационным источником ионов, имеющего один локальный максимум площади сечения второго зазора.Figure 1 is a structural diagram of the inventive spectrometer in the embodiment with a surface ionization ion source having one local maximum cross-sectional area of the second gap.
Фиг.2 - в увеличенном масштабе вариант конструктивной схемы взаимного расположения электродов ионной линзы и устройства для разделения ионов спектрометра, имеющего два локальных максимума площади сечения второго зазора.Figure 2 is an enlarged view of a variant of the structural arrangement of the mutual arrangement of the electrodes of the ion lens and the ion separation device of the spectrometer having two local maximum cross-sectional areas of the second gap.
Фиг.3 - в увеличенном масштабе вариант исполнения ионной линзы, имеющей дополнительный фокусирующий электрод.Figure 3 is an enlarged view of an embodiment of an ion lens having an additional focusing electrode.
Изображенное на Фиг.1 устройство включает следующие элементы:The device shown in FIG. 1 includes the following elements:
1 - поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем Н и датчиком температуры Т, 2 - корпус источника ионов, 3, 9 - полость источника ионов, 4 - изолятор между ионной линзой и источником ионов, 5 - первый электрод ионной линзы, 6 - второй электрод ионной линзы, 7 - изолятор между электродами ионной линзы, 8 - первый изолятор, 10 - зазор между электродами устройства для разделения ионов, 11 - внешний электрод устройства для разделения ионов, 12 - внутренний электрод устройства для разделения ионов, 13 - второй зазор, 14 - сечение второго зазора в месте локального максимума его площади, 15 - штуцер для подсоединения внешнего насоса, прокачивающего воздух через спектрометр, А - направления забора в спектрометр воздуха, содержащего пары органических соединений, В - направление прокачки воздуха через спектрометр внешним насосом, 16 - элементы блока коллектора ионов, 22 - второй фокусирующий электрод, 23 - электрод для управления током ионов, 24 - коллектор ионов.1 - surface-ionization ion-emitter equipped with a heater N and a temperature sensor T, 2 - housing of the ion source, 3, 9 - cavity of the ion source, 4 - insulator between the ion lens and the ion source, 5 - first electrode of the ion lens, 6 - second an ion lens electrode, 7 is an insulator between the electrodes of an ion lens, 8 is a first insulator, 10 is a gap between the electrodes of an ion separation device, 11 is an external electrode of an ion separation device, 12 is an internal electrode of an ion separation device, 13 is a second gap, 14 - section of the second ora at the site of the local maximum of its area, 15 — fitting for connecting an external pump pumping air through the spectrometer, A — direction of intake of air containing vapors of organic compounds into the spectrometer, B — direction of pumping air through the spectrometer by an external pump, 16 — elements of the ion collector block , 22 - second focusing electrode, 23 - electrode for controlling the ion current, 24 - ion collector.
Изображенная на Фиг.2 конструктивная схема включает следующие элементы:The structural diagram shown in FIG. 2 includes the following elements:
17 - зазор с площадью S1, образующий второй локальный максимум площади сечения второго зазора, 18 - зазор с площадью S3, 14 - зазор с площадью S2, образующий первый локальный максимум площади сечения второго зазора, D1 - диаметр внутренней поверхности внешнего электрода устройства для разделения ионов, D3 - диаметр цилиндрической части поверхности внутреннего электрода, D4 - диаметр сопряжения конусной и второй усеченной конусной поверхностей центрального электрода, d - диаметр центрального канала ионной линзы, L, L1, L3, L2, L4, L5 - соответственно расстояния от сопряжения центрального канала ионной линзы и расширяющегося канала ионной линзы до начала цилиндрической поверхности внутреннего электрода, до сопряжения конусной и второй усеченной конусной поверхностей внутреннего электрода, до сопряжения шаровой и конусной поверхностей внутреннего электрода, до вершины выпуклой торцевой поверхности внутреннего электрода, до сопряжения большего диаметра первой усеченной конусной поверхности ионной линзы и его второй цилиндрической поверхности, до плоскости совмещения ионной линзы и первого электрического изолятора.17 - a gap with an area of S 1 forming the second local maximum cross-sectional area of the second gap, 18 - a gap with an area of S 3 , 14 - a gap with an area S 3 forming the first local maximum cross-sectional area of the second gap, D 1 - the diameter of the inner surface of the outer electrode devices for ion separation, D 3 is the diameter of the cylindrical part of the surface of the inner electrode, D 4 is the diameter of the conjugation of the conical and second truncated conical surfaces of the central electrode, d is the diameter of the central channel of the ion lens, L, L 1 , L 3 , L 2 , L 4 , L 5 - respectively, p the distance from the conjugation of the central channel of the ionic lens and the expanding channel of the ionic lens to the beginning of the cylindrical surface of the inner electrode, to the conjugation of the conical and second truncated conical surfaces of the inner electrode, to the conjugation of the spherical and conical surfaces of the inner electrode, to the apex of the convex end surface of the inner electrode, to the conjugation of a larger the diameter of the first truncated conical surface of the ion lens and its second cylindrical surface, to the plane of alignment of the ion lens and a first electrical insulator.
Изображенная на Фиг.3 конструктивная схема включает следующие элементы:The structural diagram shown in FIG. 3 includes the following elements:
20 - дополнительный фокусирующий электрод ионной линзы, 21 - дополнительный электрический изолятор.20 - an additional focusing electrode of an ionic lens, 21 - an additional electrical insulator.
Сущность заявленного изобретения и работы заявленной конструкции спектрометра состоит в следующем.The essence of the claimed invention and the operation of the claimed design of the spectrometer is as follows.
Внешний насос через штуцер 15 прокачивает воздух, содержащий пары органических веществ, через спектрометр по стрелкам А и В (Фиг.1). Пары органических веществ, попадая в полость источника ионов, например в зазор между нагретой поверхностью поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов и первым электродом ионной линзы, ионизируются на поверхности термоэмиттера и образовавшиеся ионы с потоком воздуха поступают далее в канал ионной линзы. При этом между электродами 1 и 5 подается разность потенциалов плюсом на электрод 1. Ионы через канал ионной линзы поступают далее в устройство для разделения ионов. Если в устройство для разделения ионов поступает ионный пучок с избыточным объемным зарядом, то это приводит к снижению разрешающей способности спектрометра, причем действие объемного заряда тем выше, чем выше его ионный первеанс, равный для дрейфового движения ионов [2]:An external pump through the nozzle 15 pumps air containing vapors of organic substances through the spectrometer along arrows A and B (Figure 1). Vapors of organic substances falling into the cavity of the ion source, for example, into the gap between the heated surface of the surface ionizing ion emitter and the first electrode of the ion lens, are ionized on the surface of the emitter and the ions formed with the air flow then enter the channel of the ion lens. In this case, between the electrodes 1 and 5, a potential difference is supplied by a plus to the electrode 1. Ions then pass through the channel of the ion lens into the ion separation device. If an ion beam with an excess space charge enters the ion separation device, this leads to a decrease in the resolution of the spectrometer, and the action of the space charge is higher, the higher its ion perveance, which is equal to the drift motion of ions [2]:
где Рi - величина ионного первеанса дрейфового движения ионов, Vg - величина локальной продольной газовой скорости через сечение данного зазора спектрометра, j - величина плотности ионного тока в сечении данного зазора спектрометра, μ - величина подвижность ионов, ε0 - диэлектрическая постоянная. В то же время от источника ионов требуется максимальная эффективность ионизации органических веществ, попадающих в спектрометр с потоком воздуха. При этом устройство, размещенное между источником ионов и устройством для разделения ионов, то есть ионная линза, должно обеспечить выполнение четырех противоречивых требований: обеспечить сепарацию ионов по типу их электрического заряда (положительного или отрицательного); обеспечить автоматическое снижение объемного заряда ионного пучка, попадающего на вход устройства для разделения ионов, если объемный заряд становится слишком большим; одновременно обеспечить пропорциональность между количеством ионов, образовавшихся в источнике ионов, и количеством ионов, проступающих на вход устройства для разделения ионов; обеспечить полную транспортировку ионов в устройство для их разделения, если ионный ток мал.where P i is the ion perveance of the drift motion of ions, V g is the local longitudinal gas velocity through the cross section of this spectrometer gap, j is the ion current density in the cross section of this spectrometer gap, μ is the ion mobility, ε 0 is the dielectric constant. At the same time, the maximum ionization efficiency of organic substances entering the spectrometer with an air stream is required from the ion source. In this case, the device located between the ion source and the ion separation device, that is, the ion lens, must ensure that four conflicting requirements are met: to ensure the separation of ions by the type of their electric charge (positive or negative); to automatically reduce the space charge of the ion beam entering the input of the ion separation device if the space charge becomes too large; at the same time ensure proportionality between the number of ions formed in the ion source and the number of ions exiting the input of the ion separation device; to ensure complete transportation of ions to a device for their separation, if the ion current is small.
В заявленном спектрометре эти функции выполняет ионная линза в сочетании с выпуклой торцевой поверхностью внутреннего электрода устройства для разделения ионов, которые совместно выполняют роль автоматического пропорционального фильтра типа ионов и величины объемного заряда ионного пучка. Роль фильтрующих элементов играют изменяющиеся по величине сечения зазоры S1, S2, а в варианте исполнения, показанном на Фиг.2, и зазор S3 в комбинации с сечением зазора между электродами устройства для разделения ионов и сечением канала ионной линзы (Фиг.2). При этом первый зазор S1 автоматически и пропорционально "сбрасывает" лишний объемный заряд после выхода ионного пучка из канала ионной линзы. Второй зазор S2 сепарирует ионы по типу электрического заряда и "защищает" вход устройства для разделения ионов от избыточного объемного заряда при больших значениях ионного тока. Третий зазор S3 в варианте исполнения Фиг.2 дополнительно "подфокусирует" ионный пучок в области между зазорами S1 и S2. При этом как в одном, так и в другом исполнении второго зазора на электрод 6 подается фокусирующий потенциал положительной или отрицательной полярности, сепарирующий совместно с сечением S2 ионы по типу электрического заряда и корректирующий движение ионного пучка во втором зазоре в области сечения S2. Для более эффективной фокусировки ионов ионной линзой в ней может быть предусмотрен дополнительный фокусирующий электрод 20, как показано на Фиг.3.In the claimed spectrometer, these functions are performed by an ion lens in combination with the convex end surface of the inner electrode of the ion separation device, which together act as an automatic proportional filter of the ion type and the volume charge of the ion beam. The role of the filtering elements is played by the cross-sectional gaps S 1 , S 2 , and in the embodiment shown in FIG. 2, the gap S 3 in combination with the cross-section of the gap between the electrodes of the ion separation device and the channel section of the ion lens (FIG. 2 ) In this case, the first gap S 1 automatically and proportionally "drops" the excess space charge after the ion beam exits the channel of the ion lens. The second gap S 2 separates the ions according to the type of electric charge and “protects” the input of the device for separating ions from excess space charge at high ion currents. The third gap S 3 in the embodiment of Figure 2 additionally "focuses" the ion beam in the region between the gaps S 1 and S 2 . In this case, both in one and in another design of the second gap, a focusing potential of positive or negative polarity is fed to the
В варианте исполнения с одним локальным максимумом площади сечения второго зазора этот максимум расположен в плоскости сечения S2. В варианте исполнения с двумя локальными максимумами площади сечения второго зазора эти максимумы расположены в плоскостях сечения S2 и S1.In an embodiment with one local maximum of the cross-sectional area of the second gap, this maximum is located in the cross-section plane S 2 . In the embodiment with two local maxima of the cross-sectional area of the second gap, these maxima are located in the cross-section planes S 2 and S 1 .
При работе заявленного спектрометра в варианте исполнения с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов включают насос, прокачивающий воздух через спектрометр через штуцер 15, нагревателем Н устанавливают требуемое значение рабочей температуры термоэмиттера, на термоэмиттер ионов подают потенциал положительной полярности величиной 50-300 В, в цепи электрода 5 контролируют ток ионов, образующихся на поверхности термоэмиттера, на электрод 20 подают фокусирующий потенциал положительной полярности, на электрод 6 подают второй фокусирующий потенциал, на электрод 11 подают сумму несимметричного высоковольтного и постоянного потенциалов [1-2], электроды 2 и 12 соединяют с общей точкой цепей питания спектрометра, на электроды 22 и 23 устройства для сбора ионов подают соответствующие потенциалы и в цепи коллектора ионов 24 измеряют ток ионов, прошедших через устройство для разделения ионов. Для регистрации спектра различных типов ионов, попадающих в спектрометр с потоком воздуха, линейно изменяют постоянный потенциал, подаваемый на электрод 11, и регистрируют зависимость тока коллектора от величины указанного потенциала.When the inventive spectrometer is operating in an embodiment with a surface ionizing ion emitter, a pump is pumped through the spectrometer through the nozzle 15, the heater N sets the required value of the operating temperature of the emitter, a positive polarity potential of 50-300 V is applied to the ion emitter, and the electrode circuit 5 control the current of ions formed on the surface of the thermal emitter, the focusing potential of positive polarity is applied to the
Интервалы возможных изменений сечений зазоров S1, S2 и S3, а также оптимальные интервалы возможных изменений диаметров D1 и D3, указанные в формуле изобретения, выбраны на основе экспериментального измерения разрешающей способности спектрометров с различными конструктивными размерами и сопоставления данной величины с величиной динамического диапазона спектрометра. Данные интервалы хорошо согласуются с выражением (1), в соответствии с которым ионный первеанс в некотором сечении газового канала обратно пропорционален квадрату площади данного сечения. При этом нами экспериментально установлено, что имеется некоторое критическое значение ионного первеанса, выше которого ионный пучок расходится, а разрешающая способность спектрометра уменьшается, а ниже которого данные эффекты не проявляются. При максимально реализуемом токе ионов из источника ионов, равном 1 мкА, выбранные сечения зазоров автоматически обеспечивают подачу на вход устройства для разделения ионов ионного тока не более 3*10-11 Ампера, при котором его разрешающая способность не уменьшается. При этом также автоматически обеспечивается натурально-логарифмическая зависимость между ионным током на входе устройства для разделения ионов и ионным током источника ионов.The intervals of possible changes in the cross sections of the gaps S 1 , S 2 and S 3 , as well as the optimal intervals of possible changes in the diameters D 1 and D 3 indicated in the claims, are selected on the basis of experimental measurement of the resolution of spectrometers with different design dimensions and comparison of this value with the value dynamic range of the spectrometer. These intervals are in good agreement with expression (1), according to which the ion perveance in a certain section of the gas channel is inversely proportional to the square of the area of this section. Moreover, we experimentally established that there is a certain critical value of the ion perveance, above which the ion beam diverges, and the resolution of the spectrometer decreases, and below which these effects do not occur. At the maximum realized ion current from the ion source equal to 1 μA, the selected gap cross sections automatically provide the input of the ion current separation device for ion current no more than 3 * 10 -11 Amperes, at which its resolution does not decrease. It also automatically provides a natural-logarithmic relationship between the ion current at the input of the ion separation device and the ion current of the ion source.
Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности: "новизна" и "изобретательский уровень". Заявленная конструкция может быть реализована в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности: "промышленная применимость".The foregoing shows that in the scientific, technical and patent literature there are no technical solutions to achieve the indicated technical results using the above methods and means, which allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability conditions: "novelty" and "inventive step". The claimed design can be implemented in industry, which allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability condition: "industrial applicability".
Испытания макета спектрометра, изготовленного в соответствии с заявленным изобретением, показали, что его разрешающая способность выше данного параметра известных спектрометров в 10-15 раз, а динамический диапазон спектрометра превышает 8 порядков величины.Tests of the layout of the spectrometer manufactured in accordance with the claimed invention showed that its resolution above this parameter of known spectrometers is 10-15 times, and the dynamic range of the spectrometer exceeds 8 orders of magnitude.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №5,420,424 от 30 мая 1995 г. (аналог).1. US patent No. 5,420,424 of May 30, 1995 (analogue).
2. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И., Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93 (прототип).2. Bannykh OA, Povarova KB, Kapustin VI, A new approach to surface ionization and drift spectroscopy of organic molecules of ZhTF, 2002, volume 72,
3. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И. и др., Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул. Доклады Академии Наук, 2002, том 385, №2, с.200-204.3. Bannykh OA, Povarova KB, Kapustin V.I. et al., Physicochemistry of surface ionization of certain types of organic molecules. Reports of the Academy of Sciences, 2002, volume 385, No. 2, pp. 200-204.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005104476/28A RU2293977C2 (en) | 2005-02-21 | 2005-02-21 | Ion mobility spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005104476/28A RU2293977C2 (en) | 2005-02-21 | 2005-02-21 | Ion mobility spectrometer |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004109218 Substitution | 2004-03-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005104476A RU2005104476A (en) | 2006-08-10 |
| RU2293977C2 true RU2293977C2 (en) | 2007-02-20 |
Family
ID=37058864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005104476/28A RU2293977C2 (en) | 2005-02-21 | 2005-02-21 | Ion mobility spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2293977C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444007C1 (en) * | 2010-11-29 | 2012-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" | Apparatus for simultaneous separation of positive and negative ions |
| RU2625728C1 (en) * | 2016-02-01 | 2017-07-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | High-temperature surface ionization source |
| RU2625805C2 (en) * | 2015-05-26 | 2017-07-19 | Анатолий Владимирович Головин | Device for converting ion current of ion mobility spectrometer |
| RU2638824C2 (en) * | 2016-05-11 | 2017-12-18 | Анатолий Владимирович Головин | Device for creation of voltage on protective screen of ion current collector of ion mobility spectrometer |
| RU2795499C2 (en) * | 2018-07-31 | 2023-05-04 | Смитс Детекшн-Уотфорд Лимитед | Method and device for substance identification using ion separation method based on ionic mobility |
-
2005
- 2005-02-21 RU RU2005104476/28A patent/RU2293977C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Банных О.А. и др. Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул, ЖТФ, 2002, т.72, в.12, с.88-93. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444007C1 (en) * | 2010-11-29 | 2012-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" | Apparatus for simultaneous separation of positive and negative ions |
| RU2625805C2 (en) * | 2015-05-26 | 2017-07-19 | Анатолий Владимирович Головин | Device for converting ion current of ion mobility spectrometer |
| RU2625728C1 (en) * | 2016-02-01 | 2017-07-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | High-temperature surface ionization source |
| RU2638824C2 (en) * | 2016-05-11 | 2017-12-18 | Анатолий Владимирович Головин | Device for creation of voltage on protective screen of ion current collector of ion mobility spectrometer |
| RU2795499C2 (en) * | 2018-07-31 | 2023-05-04 | Смитс Детекшн-Уотфорд Лимитед | Method and device for substance identification using ion separation method based on ionic mobility |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005104476A (en) | 2006-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wittmer et al. | Electrospray ionization ion mobility spectrometry | |
| Shaffer et al. | Characterization of an improved electrodynamic ion funnel interface for electrospray ionization mass spectrometry | |
| US7326926B2 (en) | Corona discharge ionization sources for mass spectrometric and ion mobility spectrometric analysis of gas-phase chemical species | |
| US8362420B2 (en) | Apparatus and methods for analyzing ions | |
| US7339166B2 (en) | Interface and process for enhanced transmission of non-circular ion beams between stages at unequal pressure | |
| US8288718B2 (en) | Ion mobility spectrometer and detecting method using the same | |
| CA2696115C (en) | Low pressure electrospray ionization system and process for effective transmission of ions | |
| JP6593548B2 (en) | Mass spectrometer and ion detector | |
| US9324546B2 (en) | Integrated capacitor transimpedance amplifier | |
| US20140299758A1 (en) | Corona discharging device and ion migration spectrometer having same | |
| RU2293977C2 (en) | Ion mobility spectrometer | |
| CA2076507C (en) | Simple compact ion mobility spectrometer | |
| JP2005174619A (en) | Ion mobility spectrometer and ionic mobility spectroscopy | |
| RU2673792C2 (en) | Dual polarity spark ion source | |
| McComb et al. | Sensitive high-resolution analysis of biological molecules by capillary zone electrophoresis coupled with reflecting time-of-flight mass spectrometry | |
| CN210897196U (en) | Electrospray ion source and mass spectrum device | |
| US9228979B2 (en) | Capacitive transimpedance amplifier with offset | |
| CN101752178B (en) | Cylindrical non-symmetric field ion migration tube | |
| DE60126264T2 (en) | Heliumionisierungsdetektor | |
| CN201508347U (en) | Ion mobility spectrometer | |
| JP2019211440A (en) | Ion mobility analyzer | |
| CN105355535A (en) | Ion source and ionization method | |
| US9214325B2 (en) | Ion trap with radial opening in ring electrode | |
| Shvartsburg et al. | Two-dimensional ion mobility analyses of proteins and peptides | |
| RU2293978C2 (en) | Ion drift mobility spectrometer's collector unit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130222 |