離子遷移譜儀及其方法
2023-05-19 16:49:26 1
專利名稱：離子遷移譜儀及其方法
技術領域：
本發明涉及一種使用離子遷移技術檢測毒品和爆炸物的離子迀移 譜儀以及應用於其的離子存儲和引出的方法，屬於安全檢測技術領域。
背景技術：
離子遷移譜儀是根據不同離子在均勻弱電場下漂移速度不同而實 現對離子的分辨。通常由進樣部分、電離部分、離子門、遷移區、收 集區、讀出電路、數據採集和處理、控制部分等構成。現有技術中，
採用Bradbury and Nielson門只在開門階段將在此期間產生的離子送 往遷移區。關門時期的離子通過離子門被散射到管壁上不能被存儲而 被浪費。
中國專利200310106393.6公開了一種離子存儲方法，採用三片網 電極代替Bradbury and Nielson門構成存儲區，在離子存儲階段，離子 存儲在前兩片電極之間的無電場區。當需要離子被推入遷移區進行遷 移時，改變第一片網電極電壓將離子推到第二片和第三片網電極之間， 再改變第二網電極將離子推到遷移區進行遷移和分辨。由於將存儲的 離子兩次經過網電極，會由於碰撞和散射影響到靈敏度，而且控制較 為複雜。
美國專利5200614也公開了一種離子存儲的方法，由於在離子存 儲階段正負離子存在複合的問題，影響了靈敏度。由於將電離區和存 儲區合二為一，雖簡化結構，但離子源的尺寸和形狀受到一定限制， 影響進一步的使用。
以上技術均需要較長的開門時間，才能將離子送入遷移區，會造 成遷移峰譜形展寬，在相同遷移區情況下，影響解析度。
發明內容
4為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種 離子遷移譜儀及其方法，能夠有效地提高靈敏度和解析度，且控制簡 單方便。
在本發明的一個方面，提出了一種離子遷移譜儀，包括電極； 離子源，與電極毗鄰設置；其中，所述離子遷移譜儀還包括聚焦導 向電極，設置在離子源的遠離電極的那側，形成為漏鬥狀，以將離子 從離子源輸出；以及存儲部分，設置在聚焦導向電極的輸出離子的那
側，用於存儲從離子源產生的離子。
優選地，所述存儲部分包括依此排列的第一端電極、中間電極和 第二端電極。
優選地，第一端電極由帶有孔的金屬片構成。
優選地，第二端電極由網狀金屬片構成。
優選地，第一端電極和第二端電極之間的距離小於4mm。 優選地，所述離子遷移譜儀還包括設置在存儲部分的輸出側的另 一電極。
優選地，所述存儲部分與所述另一電極之間的距離小於3mm。 優選地，在電極、離子源的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極和存儲 部分之間存在電壓差且相對電壓固定，而在另一電極加上固定電壓， 以將離子存儲在存儲部分中。
優選地，改變第一電極、離子源的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極 和存儲部分上的電壓，以導出存儲在存儲部分中的離子。
優選地，離子源是同位素源、電暈放電、雷射、紫外光或X射線。 優選地，所述電極和另一電極均形成為環狀或者網狀。 在本發明的另一方面，提出了一種用於離子遷移譜儀的方法，所 述離子遷移譜儀包括電極；離子源，與電極毗鄰設置；其中，所述 離子遷移譜儀還包括聚焦導向電極，設置在離子源的遠離電極的那 側，形成為漏鬥狀，以將離子從離子源輸出；存儲部分，設置在聚焦 導向電極的輸出離子的那側，用於存儲從離子源產生的離子；以及設 置在存儲部分的輸出側的另一電極；其中所述方法包括離子存儲步 驟，向電極、源的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極和存儲部分施加電壓使得它們之間存在電壓差且相對電壓固定，向另一電極施加固定電壓， 以將離子存儲在存儲部分中；以及離子導出步驟，改變電極、源的屏 蔽金屬外殼、聚焦導向電極和存儲部分上的電壓，以導出存儲在存儲 部分中的離子。
本發明由於採取了源與存儲區分開的方案，可以方便離子源的互 換，在不改變後續結構的情況下更換不同的源。
網電極、離子源、聚焦導向電極和存儲部分組成組合電極，網電 極、源的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極和存儲部分存在電壓差且相對 電壓固定，第一環電極加上固定電壓，組合電極上的電壓可以浮動變 化實現離子的存儲和導出。
在離子存儲階段，所需收集的正或負離子在電場的作用下通過聚 焦導向電極漂移到存儲部分內部進行存儲。由於存儲部分在離子需要 移動的方向可以作的很薄，直徑可以做得較大，且內部電場幾乎為零， 可以收集大量的離子且團簇厚度很小，且定向速度幾乎為零，減少離 子遷移譜的展寬，可提高解析度。
在離子導出階段，改變組合電極電壓將離子推到遷移區，隨即整 體電壓恢復到存儲狀態。
圖1是根據本發明實施例的離子遷移譜儀的結構示意圖。
圖2是根據本發明實施例的離子遷移譜儀中採用的電極示意圖。
圖3A到圖3C是根據本發明實施例的離子遷移譜儀所採用的存儲 部分的側面示意圖。
圖4是根據本發明實施例的離子遷移譜儀所採用的存儲部分的正 面示意圖。
圖5示出了根據本發明實施例的離子遷移譜儀所採用的聚焦導向 電極的側面和正面示意圖。
圖6是根據本發明實施例的離子遷移譜儀工作在正離子模式時的 各電極的電勢示意圖。
圖7是根據本發明實施例的離子遷移譜儀工作在正離子模式時的
6各電極電壓隨時間變化的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
對本發明做進一步說明。本發明即 可工作在負離子模式也可工作在正離子模式，為方便起見，本文僅介 紹正離子模式的情形。
圖1是根據本發明實施例的離子遷移譜儀的結構示意圖。如圖1 所示，根據本發明實施例的離子遷移譜儀包括依次排列的網電極1、
離子源2、聚焦導向電極3、存儲部分4、第一環或網電極5、其餘環 電極6和法拉第盤7等。
根據本發明的實施例，離子源2可以為同位素源如鎳63，也可以 為電暈放電、雷射、紫外光、X射線等源。
如圖2所示，網電極1可以形成為附圖標記8所示的樣式，當然 包含各種樣式的孔，如六邊形孔、圓孔等。第一環電極5也可以形成 為附圖標記9所示的樣式，也可形成為附圖標記8所示的環狀樣式。
圖3A到圖3C是根據本發明實施例的離子遷移譜儀所採用的存儲 部分的側面示意圖。圖4是根據本發明實施例的離子遷移譜儀所採用 的存儲部分的正面示意圖。
如圖4所示，存儲部分4為一個一邊為小圓孔的金屬薄片10 (如 圖3A)、中間為圓環11 (如圖3B)、另一邊為網狀孔的金屬薄片12 (如圖3C)的金屬盒。網狀孔的網絲要求儘可能細，兩金屬片10和 12之間的距離應該小於4mm，該存儲部分內部形成無電場區。
如圖5所示，附圖標記13和14分別表示聚焦導向電極3的正向 剖圖和側視圖。聚焦導向電極3形成為漏洞狀，從毗鄰離子源2的一 側向遠離離子源2的一側逐漸變大，形成聚焦電場，從而起到離子導 向的作用，也可用一組這樣的電極進行聚焦。另外，存儲部分4和第 一環電極5之間的距離應小於3毫米，從而方便離子的推出。
圖6是根據本發明實施例的離子遷移譜儀工作在正離子模式時的 各電極的電勢示意圖。如圖6所示，附圖標記15表示網電極1上施加 的電壓。附圖標記16表示離子源2上施加的電壓；附圖標記17表示
7聚焦導向電極3上施加的電壓；附圖標記18表示存儲部分4上施加的 電壓；附圖標記19表示第一環或網電極5上施加的電壓。
圖6中所示的實線為存儲狀態時網電極1、離子源2、聚焦導向電 極3、存儲部分4電勢圖，虛線為離子導出狀態時網電極1、離子源2、 聚焦導向電極3、存儲部分4各點電勢圖。網電極l、離子源2、聚焦 導向電極3和存儲部分4加上的電壓可以浮動，網電極1與離子源2 的屏蔽金屬外殼以及與聚焦導向電極3和存儲部分4存在電壓差，第 一環或網電極5加上固定電壓，第一環或網電極5和後邊的環電極6 加上均勻遞減的電壓形成遷移區。實線20為環電極以後對應的各點電 壓，在存儲階段和離子導出階段都保持穩定不變。
在離子存儲階段時，正離子將移動到形成的附圖標記18處的勢阱 中進行存儲，調節各點電壓形成合適的勢阱深度滿足最大存儲量和快 速推出的要求。
在離子引出階段，將網電極l、離子源2、聚焦導向電極3、存儲 部分4加上的電壓同時提高到如虛線所示的電壓，使得離子被導入到 遷移區進行漂移、分辨，隨後整體電壓恢復到存儲狀態時的電壓。
圖7是根據本發明實施例的離子遷移譜儀工作在正離子模式時的 各電極電壓隨時間變化的示意圖。如圖7所示，附圖標記21、 22、 23、 24、 25分別為網電極1、離子源2、聚焦導向電極3、存儲部分4和第 一環電極5上所施加的電壓隨時間變化的波形。
在存儲階段時，網電極1、離子源2、聚焦導向電極3的電壓均高 於存儲部分4的電壓，第一環或網電極5的電壓25也高於存儲部分4 的電壓22，調節附圖標記21、 22、 23、 24、 25所表示的基線電壓和 跳動幅度能夠使存儲的離子容量最大並能快速推出。
當要將離子從存儲區導入遷移區，將網電極l、離子源2、聚焦導 向電極3和存儲部分4上施加的電壓同時抬高一定幅度，且均高於第 一環電極5的電壓25，就可以將離子推到遷移區，隨後再恢復到存儲 狀態。
如上所述，明由於釆取了離子源2與存儲部分4分開的方案，可 以方便離子源2的更換，允許在不改變後續結構的情況下更換不同的
8離子源。
另外，網電極1、離子源2、聚焦導向電極3和存儲部分4組成組 合電極。網電極l、離子源2的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極3和存 儲部分4存在電壓差且相對電壓固定，而在第一環電極5加上固定電 壓，組合電極上的電壓可以浮動變化實現離子的存儲和導出。
在離子存儲階段，所需收集的正或負離子在電場的作用下通過聚 焦導向電極3漂移到存儲部分4內部進行存儲。由於存儲部分4在離 子需要移動的方向可以作的很薄，直徑可以做得較大，且內部電場幾 乎為零，可以收集大量的離子且團簇厚度很小，且定向速度幾乎為零， 減少離子遷移譜的展寬，可提高解析度。
在離子導出階段，改變組合電極電壓將離子推到遷移區，隨即整 體電壓恢復到存儲狀態。
要說明的是，以上實施例僅用於說明而非限制本發明的技術方案， 儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人 員應當理解依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本
發明的精神和範圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權 利要求範圍當中。
9
權利要求
1、一種離子遷移譜儀，包括電極(1)；離子源(2)，與電極(1)毗鄰設置；其中，所述離子遷移譜儀還包括聚焦導向電極(3)，設置在離子源(2)的遠離電極(1)的那側，形成為漏鬥狀，以將離子從離子源(2)輸出；以及存儲部分(4)，設置在聚焦導向電極(3)的輸出離子的那側，用於存儲從離子源(2)產生的離子。
2、 如權利要求l所述的離子遷移譜儀，其中所述存儲部分(4) 包括依此排列的第一端電極(IO)、中間電極(11)和第二端電極(12)。
3、 如權利要求2所述的離子遷移譜儀，其中第一端電極(10)由帶有孔的金屬片構成。
4、 如權利要求2所述的離子遷移譜儀，其中第二端電極(12)由網狀金屬片構成。
5、 如權利要求2所述的離子遷移譜儀，其中第一端電極(10)和 第二端電極(10)之間的距離小於4mm。
6、 如權利要求l所述的離子遷移譜儀，還包括設置在存儲部分(4) 的輸出側的另一電極(5)。
7、 如權利要求6所述的離子遷移譜儀，其中所述存儲部分(4) 與所述另一電極(5)之間的距離小於3mm。
8、 如權利要求6所述的離子遷移譜儀，其中在電極(1)、源(2) 的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極(3)和存儲部分(4)之間存在電壓 差且相對電壓固定，而在另一電極(5)加上固定電壓，以將離子存儲 在存儲部分(4)中。
9、 如權利要求8所述的離子遷移譜儀，其中改變第一電極(1)、 源(2)的屏蔽金屬外殼、聚焦導向電極(3)和存儲部分(4)上的電 壓，以導出存儲在存儲部分(4)中的離子。
10、 如權利要求l所述的離子遷移譜儀，其中離子源(2)是同位素源、電暈放電、雷射、紫外光或x射線。
11、 如權利要求6所述的離子遷移譜儀，其中所述電極(1)和另 一電極(5)均形成為環狀或者網狀。
12、 一種用於離子遷移譜儀的方法，所述離子遷移譜儀包括 電極(1);離子源(2)，與電極(1)毗鄰設置；其中，所述離子遷移譜儀 還包括聚焦導向電極(3)，設置在離子源(2)的遠離電極(1)的那側，形成為漏鬥狀，以將離子從離子源(2)輸出；存儲部分(4),設置在聚焦導向電極(3)的輸出離子的那側， 用於存儲從離子源(2)產生的離子；以及設置在存儲部分(4)的輸出側的另一電極(5)其中所述方法包括離子存儲步驟，向電極(1)、離子源(2)的屏蔽金屬外殼、聚 焦導向電極(3)和存儲部分(4)施加電壓使得它們之間存在電壓差 且相對電壓固定，向另一電極(5)施加固定電壓，以將離子存儲在存 儲部分(4)中；以及離子導出步驟，改變電極(1)、離子源(2)的屏蔽金屬外殼、 聚焦導向電極(3)和存儲部分(4)上的電壓，以導出存儲在存儲部 分(4)中的離子。
全文摘要
公開了一種離子遷移譜儀及其方法。該離子遷移譜儀包括電極；離子源，與電極毗鄰設置；其中，所述離子遷移譜儀還包括聚焦導向電極，一個或一組，設置在離子源的遠離電極的那側，形成為漏鬥狀，以將離子從離子源輸出；以及存儲部分，設置在聚焦導向電極的輸出離子的那側，用於存儲從離子源產生的離子。本發明由於採取了離子源與存儲區分開的方案，可以方便離子源的互換，在不改變後續結構的情況下更換不同的源。由於存儲部分在離子需要移動的方向可以作的很薄，直徑可以做得較大，且內部電場幾乎為零，可以收集大量的離子且團簇厚度很小，且定向速度幾乎為零，減少離子遷移譜的展寬，可提高解析度。
文檔編號G01N27/64GK101470100SQ200710304330
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優先權日2007年12月27日
發明者張清軍, 華 彭, 李元景, 陳志強 申請人:同方威視技術股份有限公司;清華大學