RU2638824C2

RU2638824C2 - Device for creation of voltage on protective screen of ion current collector of ion mobility spectrometer

Info

Publication number: RU2638824C2
Application number: RU2016118246A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Головин; Владимир Васильевич Беляков; Евгений Анатольевич Громов
Original assignee: Анатолий Владимирович Головин
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-12-18
Also published as: RU2016118246A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: one of the embodiments of the device for the creation of voltage on the protective screen of the ion current collector is to use a voltage follower that can be implemented in a feedback operational amplifier, in an emitter or common-drain follower. To stabilise the voltage level and exclude pulsations on the protective screen, at the output of the voltage follower, at least one capacitor and one resistor are installed. Another embodiment of the device for the creation of voltage on the protective screen of the ion current collector is to use a controlled bipolar voltage source with fast switching of polarity of output voltage, for example implemented on the basis of two independent controlled voltage sources, one for the positive and another for the negative polarity, each equipped with at least one capacitor and one resistor to limit the pulsations and drift of the output voltage and at least one key for switching the output voltage to the protective screen when switching polarity.

EFFECT: possibility of controlling the voltage level on the protective screen independently for positive and negative polarities for flexible adjustment of the electric field in area of the collector and optimizing the collection of ions of different polarities, high speed of switching voltage polarity on the protective screen, absence of voltage drift on the protective screen after switching polarities, reduction of frequency compensation and time of setting potentials in the high voltage divider.

5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к спектрометрам ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых, наркотических, опасных и токсичных веществ, проведения медицинской диагностики, контроля качества пищевой продукции и промышленных материалов.The invention relates to ion mobility spectrometers, which are widely used for monitoring the content of various substances in the air and, in particular, for detecting low concentrations of explosive, narcotic, hazardous and toxic substances, conducting medical diagnostics, quality control of food products and industrial materials.

Конструкция портативного спектрометра ионной подвижности (рис. 1) включает в себя пробоотборное устройство 1 с возможностью отбора паров из воздушной фазы и термодесорбции частиц малолетучих веществ с промежуточного носителя, источник ионизации 2, выталкивающий электрод 3, ионный затвор 4, отделяющий камеру ионизации 5 от камеры дрейфа 6, коллектор ионного тока 7 с установленной защитной сеткой 8, преобразователь ионного тока 9, блок обработки и хранения данных 10, электронную систему управления 11, газовый насос 12, систему очистки воздуха 13, блок индикации и управления 14, блок коммутации 15 и аккумуляторную батарею 16 для автономной работы.The design of a portable ion mobility spectrometer (Fig. 1) includes a sampling device 1 with the ability to take vapors from the air phase and thermal desorption of particles of low-volatility substances from an intermediate carrier, an ionization source 2, an ejection electrode 3, an ion gate 4 that separates the ionization chamber 5 from the camera drift 6, an ion current collector 7 with a protective grid 8 installed, an ion current converter 9, a data processing and storage unit 10, an electronic control system 11, a gas pump 12, an air purification system 13, bl to display and control 14, switching unit 15 and battery 16 for battery life.

Принцип работы спектрометра ионной подвижности основан на разделении ионов по времени пролета в газовой среде в постоянном электрическом поле при атмосферном давлении. Газовый насос 12 создает поток воздуха 17, в котором проба 18 из пробоотборного устройства 1 по патрубку 19 поступает в камеру ионизации 5. Из ионов, образовавшихся при работе источника ионизации 2, с использованием выталкивающего электрода 3 и ионного затвора 4 формируется ионный сгусток 20, инжектируемый в камеру дрейфа 6, в которой происходит разделение ионов по подвижностям в постоянном электрическом поле 21 напряженностью около 200 В/см. Формирование электрических полей в камере ионизации 5 и камере дрейфа 6 обеспечивается с помощью высоковольтного делителя напряжения 22. Для обеспечения в камере дрейфа 6 стабильной газовой среды с постоянной влажностью воздуха применяется система очистки воздуха 13, оснащенная газовым насосом и сорбентом на основе молекулярных сит, которая формирует поток очищенного и осушенного воздуха 23 через патрубки 24 и 25. В результате ионы достигают коллектора ионного тока 7, перед которым установлена защитная сетка 8 для минимизации индуцированных наводок от подлетающего ионного сгустка. Напряжение на защитной сетке 8 формируется блоком установления напряжения 26. Коллектор ионного тока 7 подключается к входу преобразователя ионного тока 9, с выхода которого измеренная временная структура ионного тока поступает в блок обработки и хранения данных 10. Оперативность и точность выявления и идентификации веществ обеспечивается синхронизацией от электронной системы управления 11 через линии связи 27. Отображение информации об обнаружении и управление прибором осуществляется с помощью блока индикации и управления 14. Для подключения внешнего питания, периферии, сетевых устройств и вывода графической информации на внешние дисплеи используются разъемы блока коммутации 15. Автономную работу прибора обеспечивает аккумуляторная батарея 16.The principle of operation of the ion mobility spectrometer is based on the separation of ions by the time of flight in a gas medium in a constant electric field at atmospheric pressure. The gas pump 12 creates an air stream 17, in which the sample 18 from the sampling device 1 through the pipe 19 enters the ionization chamber 5. From the ions formed during the operation of the ionization source 2, an ionic clot 20 is injected using an ejection electrode 3 and an ion gate 4 into the drift chamber 6, in which the ions are separated by mobilities in a constant electric field 21 with an intensity of about 200 V / cm. The formation of electric fields in the ionization chamber 5 and the drift chamber 6 is provided using a high-voltage voltage divider 22. To ensure a stable gas environment with constant humidity in the drift chamber 6, an air purification system 13 is used, equipped with a gas pump and a molecular sieve based sorbent that forms the flow of purified and dried air 23 through the nozzles 24 and 25. As a result, the ions reach the ion current collector 7, in front of which a protective grid 8 is installed to minimize the induced avodok flies from the ion bunch. The voltage on the protective grid 8 is formed by the voltage setting unit 26. The ion current collector 7 is connected to the input of the ion current transformer 9, from the output of which the measured temporary structure of the ion current enters the data processing and storage unit 10. The efficiency and accuracy of the detection and identification of substances is ensured by synchronization from electronic control system 11 via communication lines 27. The display of information about the detection and control of the device is carried out using the display and control unit 14. To connect Nia external power peripherals, network devices and display graphic information on the external display unit using connectors 15. Autonomous switching operation of the device provides a battery 16.

Значительная часть целевых веществ образует при работе источника ионизации 2 только положительные или только отрицательные ионы, поэтому одновременное детектирование ионов обеих полярностей существенно расширяет оперативные возможности прибора и обеспечивает большую достоверность получаемых результатов. Для решения задачи одновременного детектирования положительных и отрицательных ионов применяются конструкции детекторов с установленными двумя спектрометрами ионной подвижности, работающими каждый в своей фиксированной полярности (patent US no. 7345276, P.G. Wynn, J.A. Breach, Mar. 18, 2008). Также существуют варианты разделения газовых потоков и сгустков ионов для обеспечения одновременного детектирования положительных и отрицательных ионов (patent US no. 6459079, К.J. Machlinski, M.A. Pompeii, Oct. 1, 2002; patent US no. 8415614, J. R. Atkinson, A. Clark, S.J. Taylor, Apr. 9, 2013). Однако недостатками данных вариантов являются усложнение конструкции системы забора пробы, ухудшение транспорта пробы за счет увеличения длины канала и появления дополнительных изгибов, сложность контроля распределения воздушного потока с детектируемыми веществами, применение сложных конструкций ионных источников и затворов, увеличение массогабаритных параметров.A significant part of the target substances forms during the operation of ionization source 2 only positive or only negative ions, therefore, the simultaneous detection of ions of both polarities significantly expands the operational capabilities of the device and provides greater reliability of the results. To solve the problem of simultaneous detection of positive and negative ions, detector designs are used with two ion mobility spectrometers installed, each operating in its own fixed polarity (patent US no. 7345276, P.G. Wynn, J.A. Breach, Mar. 18, 2008). There are also options for separating gas streams and ion bunches to allow for the simultaneous detection of positive and negative ions (patent US no. 6459079, K. J. Machlinski, MA Pompeii, Oct. 1, 2002; patent US no. 8415614, JR Atkinson, A. Clark, SJ Taylor, Apr. 9, 2013). However, the disadvantages of these options are the complexity of the design of the sampling system, the deterioration of the transport of the sample due to the increase in the channel length and the appearance of additional bends, the difficulty of controlling the distribution of the air flow with the detected substances, the use of complex designs of ion sources and gates, and the increase in weight and size parameters.

Более перспективным является использование спектрометра ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов. В таком спектрометре ионной подвижности последовательно, сначала происходит подача высокого напряжения на высоковольтный делитель напряжения 22 для формирования полей в камерах ионизации 5 и дрейфа 6 для детектирования отрицательных ионов, потом происходит переключение полярности высокого напряжения для формирования полей в камерах ионизации 5 и дрейфа 6 для детектирования положительных ионов, или наоборот. Частота переключения полярности высокого напряжения 8 Гц и более обеспечивает практически одномоментное детектирование положительных и отрицательных ионов с достоверностью, достаточной для практического применения.More promising is the use of an ion mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the detected ions. In such an ion mobility spectrometer, in series, first a high voltage is applied to a high voltage voltage divider 22 to form fields in the ionization chambers 5 and drift 6 for detecting negative ions, then a high voltage polarity is switched to form fields in the ionization chambers 5 and drift 6 for detection positive ions, or vice versa. The switching frequency of high voltage polarity of 8 Hz or more provides almost simultaneous detection of positive and negative ions with a reliability sufficient for practical use.

Важным элементом конструкции такого спектрометра ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов является коллектор ионного тока 7, на который попадают ионы, пролетевшие камеру дрейфа 6. При подлете ионного сгустка 20 к коллектору ионного тока 7 на расстояние порядка диаметра дрейфовой камеры 6, силовые линии поля, индуцируемого ионным сгустком 20, начинают замыкаться на коллектор ионного тока 7 и наводят заряд противоположного сгустку ионов 20 знака. В дальнейшем, при движении ионного сгустка 20, все больше силовых линий индуцированного поля замыкается на коллектор ионного тока 7, что формирует дополнительный входной ток в преобразователь ионного тока 9 и сильно искажает фактическую структуру тока коллектируемых ионов. Для обеспечения корректности измерений и минимизации индуцированных наводок, в общепринятой схеме спектрометра ионной подвижности применяется защитная коллекторная сетка 8, устанавливаемая на расстоянии нескольких миллиметров от коллектора ионного тока 7 и экранирующая его от камеры дрейфа 6. Поскольку существует емкостная связь между защитной сеткой 8 и входом преобразователя ионного тока 9, то даже небольшие пульсации напряжения на защитной сетке 8 могут вызывать помехи в выходном сигнале преобразователя ионного тока 9. Обеспечение требуемого уровня стабильности напряжения обычно достигается путем установки фильтрующих конденсаторов большой емкости в блоке установления напряжения 26. Однако данный подход не может быть применен в случае быстрого переключения полярности детектируемых ионов из-за длительного времени, требуемого для перезаряда вышеуказанных конденсаторов.An important structural element of such an ion mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the detected ions is the ion current collector 7, which receives ions flying through the drift chamber 6. When the ion bunch 20 approaches the ion current collector 7 to a distance of the order of the diameter of the drift chamber 6, field lines induced by the ionic bunch 20, begin to close on the collector of the ion current 7 and induce a charge opposite the ion bunch of 20 signs. Subsequently, with the movement of the ion bunch 20, more and more field lines of the induced field are closed to the ion current collector 7, which forms an additional input current to the ion current converter 9 and greatly distorts the actual current structure of the collected ions. To ensure the accuracy of measurements and minimize induced pickups, in the generally accepted scheme of the ion mobility spectrometer, a protective collector grid 8 is used, which is installed at a distance of several millimeters from the ion current collector 7 and shields it from the drift chamber 6. Since there is a capacitive coupling between the protective grid 8 and the converter input ion current 9, then even small voltage ripples on the protective grid 8 can cause interference in the output signal of the ion current converter 9. Ensuring The required level of voltage stability is usually achieved by installing high-capacity filter capacitors in the voltage setting unit 26. However, this approach cannot be applied if the polarity of the detected ions is quickly switched over due to the long time required to recharge the above capacitors.

Устройство формирования напряжения на защитной сетке, наиболее близкое к предлагаемому, используется в спектрометре ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов, в котором блок формирования напряжения на защитной сетке реализован на последнем звене высоковольтного делителя напряжения дрейфовой области (patent US no. 6765198, A. Jenkins, W.J. McGann, Jul. 20, 2004). Схема, обеспечивающая формирование высокого напряжения на электродах камеры дрейфа, использует резисторы R1-R6 для деления напряжения и конденсаторы C1-C6 для фильтрации. Напряжение, прикладываемое к защитной сетке коллектора ионного тока E6, формируется схемой двухполярного ограничителя напряжения 50, которая использует диодный мостовой элемент D1-D4, в качестве нагрузки которого используется однополярная ограничивающая структура 54, состоящая из большой электрической емкости с подключенными параллельно диодом Зенера и резистором. Двухполярный ограничитель напряжения 50 включен в делитель высокого напряжения через резистор R6.The closest voltage generating device on the protective grid is used in an ion mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the detected ions, in which the voltage generating circuit on the protective grid is implemented on the last link of the high voltage drift region voltage divider (patent US no. 6765198, A. Jenkins, WJ McGann, Jul. 20, 2004). The circuit, which provides the formation of a high voltage on the electrodes of the drift chamber, uses resistors R1-R6 to divide the voltage and capacitors C1-C6 for filtering. The voltage applied to the protective grid of the ion current collector E6 is generated by a bipolar voltage limiter circuit 50, which uses a diode bridge element D1-D4, the load of which is used unipolar limiting structure 54, consisting of a large electric capacitance with a Zener diode and a resistor connected in parallel. A bipolar voltage limiter 50 is included in the high voltage divider through resistor R6.

Первый недостаток устройства в вышеуказанном патенте связан с большим дифференциальным сопротивлением диодных элементов D1-D4, что приводит к значительному внутреннему сопротивлению двухполярного ограничителя напряжения и недостаточному ослаблению пульсаций на защитной сетке коллектора ионного тока, вызванных нестабильностью высокого напряжения, особенно при переключении полярности. Указанные пульсации формируют емкостную наводку на коллекторе ионного тока и вызывают значительные искажения выходного сигнала зарядочувствительного усилителя.The first disadvantage of the device in the above patent is associated with the large differential resistance of the diode elements D1-D4, which leads to a significant internal resistance of the bipolar voltage limiter and insufficient attenuation of ripples on the protective grid of the ion current collector caused by high voltage instability, especially when switching polarity. These ripples form capacitive pickup on the ion current collector and cause significant distortion of the output signal of the charge-sensitive amplifier.

Вторым недостатком устройства в вышеуказанном патенте является отсутствие возможности регулировки напряжения на защитной сетке для оптимизации характеристик собирания ионов раздельно для каждой полярности, так как напряжение на защитную сетку подается с делителя высокого напряжения с фиксированными номиналами элементов.The second disadvantage of the device in the above patent is the inability to adjust the voltage on the protective grid to optimize the characteristics of the collection of ions separately for each polarity, since the voltage on the protective grid is supplied from a high voltage divider with fixed cell ratings.

Третьим недостатком устройства в вышеуказанном патенте является требование того, чтобы уровни положительного и отрицательного высокого напряжения были одинаковыми, поскольку при разности уровней будет происходить попеременная "дозарядка" большой емкости однополярной ограничивающей структуры 54, и в конечном итоге - дрейф напряжения на защитной сетке. Данное требование приводит к необходимости применения сложного источника высокого напряжения с точно сбалансированными значениями напряжений обеих полярностей. Кроме того, данное ограничение не позволяет устанавливать разные значения высокого напряжения для отрицательной и положительной полярностей, а соответственно изменять напряженности поля отдельно для отрицательной и положительной полярностей в камере ионизации, ионном затворе и камере дрейфа. Независимым изменением напряженности полей в вышеуказанных областях для разных полярностей можно оптимизировать условия дрейфа ионов и повысить качество детектирования спектрометра ионной подвижности.The third disadvantage of the device in the above patent is the requirement that the levels of positive and negative high voltage be the same, because with the difference in levels an alternating “recharging” of the large capacity of the unipolar limiting structure 54 will occur, and ultimately the voltage drift on the protective grid. This requirement makes it necessary to use a complex high voltage source with precisely balanced voltage values of both polarities. In addition, this limitation does not allow you to set different high voltage values for negative and positive polarities, and accordingly to change the field strengths separately for negative and positive polarities in the ionization chamber, ion gate and drift chamber. An independent change in the field strength in the above regions for different polarities can optimize the conditions of ion drift and improve the detection quality of the ion mobility spectrometer.

Четвертым недостатком устройства в вышеуказанном патенте является требование очень точного подбора номиналов элементов делителя высокого напряжения для обеспечения его частотной компенсации при переключении полярности, особенно в последнем каскаде, формирующем напряжение на защитной сетке коллектора ионного тока и образованном конденсатором C6, резистором R6 и внутренним сопротивлением двухполярного ограничителя напряжения 50.The fourth disadvantage of the device in the above patent is the requirement for very accurate selection of the values of the elements of the high voltage divider to ensure its frequency compensation when switching polarity, especially in the last stage, which forms the voltage on the protective grid of the ion current collector and formed by capacitor C6, resistor R6 and the internal resistance of the bipolar limiter voltage 50.

Пятым недостатком устройства в вышеуказанном патенте является частичный разряд через резистор большой электрической емкости в однополярной ограничивающей структуре 54 за время переключения полярности, что приводит к уменьшению напряжения на защитной сетке и требует дополнительного времени на установление после переключения.The fifth disadvantage of the device in the above patent is a partial discharge through a resistor of large electric capacitance in a unipolar limiting structure 54 during the polarity switching, which leads to a decrease in the voltage on the protective grid and requires additional time to establish after switching.

Задача предлагаемого устройства формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока состоит в подавлении пульсаций от высоковольтной части, в обеспечении регулируемого уровня напряжения на защитной сетке для различных полярностей, в возможности изменять напряженности поля в областях дрейфа ионов независимо для отрицательной и положительной полярностей, в исключении влияния погрешностей номиналов высоковольтного делителя напряжения на потенциал защитной сетки и в обеспечении быстрого установления данного потенциала при переключении полярности.The objective of the proposed device for generating voltage on the protective grid of the ion current collector is to suppress ripples from the high-voltage part, to provide an adjustable voltage level on the protective grid for different polarities, to change the field strengths in the ion drift regions independently for negative and positive polarities, with the exception of the effect errors in the ratings of the high voltage voltage divider to the potential of the protective grid and in ensuring the rapid establishment of this potential switching polarity.

Предлагаемое устройство формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока заключается в установлении напряжения на защитной сетке 8 с помощью повторителя напряжения 28 (рис. 2). Для стабилизации уровня напряжения и исключения пульсаций на защитной сетке на выходе 29 повторителя напряжения 28 устанавливается конденсатор 30 большой емкости порядка нескольких микрофарад. Ток заряда выходного конденсатора 30 определяется номиналом резистора 31. Таким образом обеспечивается высокая скорость перезаряда выходного конденсатора 30 при переключении полярности высокого напряжения 32 за счет большого тока на выходе 29 повторителя напряжения 28. Большое сопротивление на входе 33 повторителя напряжения 28 исключает его влияние на частотно-компенсированный высоковольтный делитель напряжения 22, сформированный элементами 34 и 35. Элемент 34 высоковольтного делителя напряжения состоит из цепочки последовательно соединенных резисторов 36 и 37 с подключенными параллельно к ним конденсаторами 38 и 39. При этом количество резисторов и конденсаторов элемента 34 определяется геометрическими размерами и конструкцией камер ионизации 5 и дрейфа 6. Элемент 35 высоковольтного делителя напряжения образован резистором 40 и конденсатором 41 и отвечает за формирование напряжения на входе 33 повторителя напряжения 28.The proposed device for generating voltage on the protective grid of the ion current collector is to establish the voltage on the protective grid 8 using a voltage follower 28 (Fig. 2). To stabilize the voltage level and eliminate ripple on the protective grid at the output 29 of the voltage follower 28, a large capacitor 30 of the order of several microfarads is installed. The charge current of the output capacitor 30 is determined by the value of the resistor 31. This ensures a high charge rate of the output capacitor 30 when switching the polarity of the high voltage 32 due to the large current at the output 29 of the voltage follower 28. The high resistance at the input 33 of the voltage follower 28 eliminates its effect on the frequency compensated high voltage voltage divider 22, formed by the elements 34 and 35. The element 34 of the high voltage voltage divider consists of a chain connected in series x resistors 36 and 37 with capacitors 38 and 39 connected in parallel to them. The number of resistors and capacitors of element 34 is determined by the geometric dimensions and design of the ionization chambers 5 and drift 6. Element 35 of the high-voltage voltage divider is formed by resistor 40 and capacitor 41 and is responsible for the formation voltage at the input 33 of the voltage follower 28.

Первый вариант реализации повторителя напряжения 28 представлен на рисунке 3 и представляет собой повторитель на операционном усилителе 42 с обратной связью 43, рассчитанный на рабочее напряжение до ±150 В. При применении специализированного операционного усилителя 42 с большим специфицированным выходным током для заряда конденсатора 30, резистор 31 может не устанавливаться. Второй вариант реализации повторителя напряжения 28 представлен на рисунке 4 и представляет собой двухполярный эмиттерный повторитель на биполярных транзисторах 44 и 45. Третий вариант реализации повторителя напряжения 28 представлен на рисунке 5 и представляет собой двухполярный истоковый повторитель, построенный на МОП-транзисторах 46 и 47. Для всех трех вариантов реализации повторителя напряжения 28, представленных на рис. 3, 4 и 5, питание повторителя напряжения 28 осуществляется от двух источников, положительного напряжения 48 и отрицательного напряжения 49, при этом напряжение 48 выше положительного напряжения, прикладываемого к защитной сетке 8 во время измерения положительных ионов, а значение напряжения 49 ниже (с учетом знака) отрицательного напряжения, прикладываемого к защитной сетке 8 во время измерения отрицательных ионов.The first implementation of voltage follower 28 is shown in Figure 3 and is a follower on operational amplifier 42 with feedback 43, designed for an operating voltage of up to ± 150 V. When using a specialized operational amplifier 42 with a large specified output current for charging a capacitor 30, resistor 31 may not be installed. The second embodiment of voltage follower 28 is shown in Figure 4 and represents a bipolar emitter follower on bipolar transistors 44 and 45. The third embodiment of voltage follower 28 is shown in Figure 5 and is a bipolar source follower built on MOS transistors 46 and 47. For all three options for implementing the voltage follower 28 shown in Fig. 3, 4 and 5, the voltage follower 28 is supplied from two sources, a positive voltage 48 and a negative voltage 49, while the voltage 48 is higher than the positive voltage applied to the protective grid 8 during the measurement of positive ions, and the voltage value 49 is lower (taking into account sign) of a negative voltage applied to the protective grid 8 during the measurement of negative ions.

Другим вариантом устройства формирования переключаемого напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока является замена повторителя напряжения 28 отдельным управляемым двухполярным источником напряжения с быстрым переключением полярности выходного напряжения в диапазоне от -150 В до +150 В. Такой источник может быть реализован на основе двух независимых управляемых источников напряжения разных полярностей 50 и 51 с системой коммутации (рис. 6). В качестве коммутирующих элементов 52, 53 могут использоваться электромагнитные реле, оптронные ключи и другие подходящие элементы. При формировании положительного напряжения на сетке используется источник 50 и коммутирующий элемент 52. При формировании отрицательного напряжения - источник 51 и коммутирующий элемент 53. Для минимизации пульсаций напряжения на выходах 54 и 55 источников 50 и 51 установлены низкочастотные фильтры с большими постоянными времени, образованные резистором 56 и конденсатором 57 для источника положительного напряжения 50 и резистором 58 и конденсатором 59 для отрицательного источника 51. Напряжение на выходе 54 источника 50 регулируется в диапазоне от +50 В до +150 В, а напряжение на выходе 55 источника 51 регулируется в диапазоне от -50 В до -150 В. Процесс переключения полярности напряжения на защитной сетке 8 заключается в подаче сигнала размыкания ранее включенного ключа 52 или 53, ожидании завершения размыкания, определяемого динамическими параметрами ключа, и последующей подачей сигнала замыкания ключа для необходимой полярности. Использование раздельных источников 50 и 51 обеспечивает возможность регулирования уровня напряжения на защитной сетке 8 независимо для положительной и отрицательной полярностей для гибкой настройки электрического поля в области коллектора и оптимизации сбора ионов разных полярностей. Преимуществом заявляемого способа также является высокая скорость переключения, определяемая скоростью коммутации ключей 52 и 53, и отсутствие дрейфа напряжения на защитной сетке 8 после переключения полярности. Независимая система формирования напряжения на защитной сетке 8 снижает требования к частотной компенсации и времени установления потенциалов на делителе высокого напряжения 22.Another variant of the device for generating a switched voltage on the protective grid of the ion current collector is to replace the voltage follower 28 with a separate controlled bipolar voltage source with fast switching of the output voltage polarity in the range from -150 V to +150 V. Such a source can be implemented on the basis of two independent controlled sources voltages of different polarities 50 and 51 with a switching system (Fig. 6). As the switching elements 52, 53, electromagnetic relays, optocouplers and other suitable elements can be used. When forming a positive voltage on the grid, a source 50 and a switching element 52 are used. When forming a negative voltage, a source 51 and a switching element 53 are used. To minimize voltage ripples, low-pass filters with large time constants formed by the resistor 56 are installed at the outputs 54 and 55 of the sources 50 and 51 and a capacitor 57 for a positive voltage source 50 and a resistor 58 and a capacitor 59 for a negative source 51. The voltage at the output 54 of the source 50 is regulated in the range from +50 V up to +150 V, and the voltage at the output 55 of the source 51 is regulated in the range from -50 V to -150 V. The process of switching the polarity of the voltage on the protective grid 8 consists in supplying the opening signal of the previously turned on switch 52 or 53, waiting for the completion of the opening, determined dynamic parameters of the key, and the subsequent supply of a key closure signal for the required polarity. The use of separate sources 50 and 51 provides the ability to control the voltage level on the protective grid 8 independently for positive and negative polarities for flexible adjustment of the electric field in the collector region and optimization of the collection of ions of different polarities. An advantage of the proposed method is also a high switching speed, determined by the switching speed of the keys 52 and 53, and the absence of voltage drift on the protective grid 8 after switching polarity. An independent voltage generation system on the protective grid 8 reduces the requirements for frequency compensation and potential establishment time on the high voltage divider 22.

Claims

1. A device for generating voltage on the protective grid of the ion collector of the ion mobility spectrometer, including a frequency-compensated high-voltage voltage divider, as well as a voltage setting unit included between the frequency-compensated high-voltage voltage divider and the protective grid, characterized in that the voltage setting unit is a voltage follower equipped with at least one capacitor and one resistor to limit ripple and drift the output voltage Nia on the protective grid, wherein the positive voltage supply of the voltage higher than the positive voltage applied to the protective grid during the measurement of positive ions and negative supply voltage is below a voltage of the negative voltage applied to the protective grid during the measurement of negative ions.

2. The voltage generation device on the protective grid of the ion current collector of the ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the voltage setting unit is a voltage follower made on a feedback operational amplifier.

3. The voltage generating device on the protective grid of the ion current collector of the ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the voltage setting unit is a voltage follower made on an emitter follower.

4. The voltage generating device on the protective grid of the ion current collector of the ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the voltage setting unit is a voltage follower made on the source follower.

5. A device for generating voltage on the protective grid of the ion collector of the ion mobility spectrometer, including a controlled bipolar voltage source with fast switching output voltage polarity, implemented on the basis of two independent controlled voltage sources, one for positive and the other for negative polarity, each equipped with at least one capacitor and one resistor to limit ripple and drift of the output voltage and at least one switch key output voltage to the protective grid when the polarity is switched, while the voltage magnitude on the protective grid in the negative ion detection mode may differ from the voltage magnitude on the protective grid in the positive ion detection mode to provide flexible adjustment of the electric field in the collector region and to optimize ion collection different polarities.