用於測量氣體的方法及相應的離子遷移譜儀的製作方法

2023-10-27 08:00:42

專利名稱：用於測量氣體的方法及相應的離子遷移譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量氣體的方法，該方法包括以下步驟一使氣流中的樣本氣體離子化；一在細長的離子遷移測量室所限定的流動橫截面使離子化的氣流被引導通過該 離子遷移測量室；一藉助於橫向電場和設置在測量室壁上的至少一對測量電極對離子遷移率不同 的離子進行分離。本發明還涉及實施該方法的離子遷移譜儀(IMS)。
背景技術：
離子遷移譜測定法(IMS)是用於測量空氣中的氣態雜質的方法(Eiceman & Karpas, 2005) 0離子的遷移率可通過許多方法來進行測量。最常見的是飛行時間離子遷移 譜測定法，或者漂移時間離子遷移譜測定法。另一種公知的方法是吸入離子遷移譜測定法。 這可用來測量離子和懸浮顆粒的遷移率。吸入離子遷移譜測定法是基於離子在氣流中移動 並且通常具有垂直於流動方向的電場的事實。如果電場保持恆定，那麼離子將基於其電子 遷移率而行進到不同的位置，該遷移率由測量的位置決定。測量也可通過相對於時間改變 電場來進行，在這種情況下在不同時間對代表不同遷移率的離子進行測量。申請公開文獻US 2007/0023647 Al (Zimmermann)中披露了一種離子遷移譜儀，樣 本氣體在所述離子遷移譜儀中被離子化，並在測量電極之前被引導至輸送氣流的橫截面中 的窄點。這就是所謂的二級吸入離子遷移譜測定法的問題。理想地，當所有離子從相對於 連續電極而言相同的橫向距離處出發時，將呈窄流的離子化樣本氣體引導至輸送氣體的流 動橫截面的中心和電場。此時對分子的橫向運動產生影響的變量是分子的質量和電荷。與 來自整個橫截面區域的離子流相比，通道的分離精度顯著改善。對輸送氣體和待離子化樣 本氣體的控制使得結構複雜化。然而，即使一個分流中的微小幹擾也能夠輕易導致較大的 誤差。公開文獻US 2006/0054804 Al (Wexler)中披露了相似的結構。公開文獻WO 2008/008826 A2中披露了幾種不同類型的離子遷移譜儀設備(IMS 設備)。該公開文獻中的圖5和圖6示出了使用Bradbury-Nielsen多組分柵極的IMS設 備，其中使用的是約IMhz等級的頻率，以及掃描DC電壓。這種帶有若干與DC掃描結合的 相RF源的電極裝置極其複雜。理論上能夠將樣本氣體引導到中心，但是實踐實施上卻有困難，為此公開文獻中 披露了一種模型，其中將樣本氣體引導至輸送氣流的邊緣。就輸送氣流的拋物線速度剖面 而言，這種供給方式不是最佳的，反而會導致不精確。圖1示出了實施吸入單元的傳統方式。來自流動通道整個區域的離子Jl-n到達 分離的測量帶el_e3。雖然大多數的離子因流動的速度剖面而來自中心，但是來自流動邊緣 的離子會造成相當程度的不精確。圖2示出所謂的掃描(SWEEP)單元結構，其中來自流動 通道整個區域的離子Jln到達單獨的測量帶el_e2。在實施過程中，通過改變測量帶的電場，使離子發生分離。該方法也如同前一個方法那樣面臨到達的離子分布廣泛的問題。

發明內容
本發明旨在提供一種與現有技術相比更為簡單的用於測量氣體樣本的方法和設 備，特別是實施所謂的二級吸入離子遷移譜測定法。權利要求1中陳述了根據本發明的 方法的特有特徵，權利要求6中陳述了相應的IMS設備的特有特徵。藉助於根據本發明的 過濾技術，發射流可處於流動橫截面的中心，在該處流動的速度剖面最大。該結構比上述 Zimmermarm的設備結構簡單得多。最簡單的是，發射流中可以是絕對的0電場，但是在研製 程度更高的實施例中，也可以使用弱電場和集電極來選擇離子，這使得僅一部分通過發射 通道的離子得以分離。在離子聚集部分的流動中，即在所謂截斷通道中，電場相對於離子的遷移而言處 於靜態。根據選定的實施例，可以使用緩慢變化(小於100Hz，更普遍地為0Hz-50Hz)的電 場或者絕對靜電場。例如，在一秒的期間內，可使用緩慢改變的電場來優化遷移率不同的離 子的分離。對於能夠在截斷通道以外聚集的離子和所確保的發射通道的無幹擾操作而言， 預濾器的電場在流動方向上足夠長。在預濾器之後，根據計算的路徑，分離電極沿軸向定位 於測量室中。發射通道的靜電場要求兩側的電極等勢。然而，靜電場的每個電極都可位於絕緣 板的相對側上，並同時為截斷通道的第二電極。與沒有離子過濾的探測器相比，藉助於根據本發明的離子過濾技術可獲得相當高 的測量精度。依靠根據本發明的過濾技術，發射通道可位於流動橫截面的中心、即流動的速 度剖面最大處。其結構比上述Zimmermarm的設備的結構簡單得多。例如採用α輻射或β輻射對樣本氣體離子化。只允許來自受限截面的離子進入 測量部。在本發明中，從所謂的截斷流動中濾除流動通道的邊緣的離子，並且僅允許所謂發 射流的離子從流動通道的中心部進入遷移率測量。相應部分的通道稱作截斷通道和發射通 道。與允許來自流動通道整個區域的離子進入測量的情況(所謂的一級吸入離子遷移譜測 定法)相比，該方式顯著改善了遷移率的分辨力。發射流周圍的截斷流使流動的速度剖面 保持在可控制下。在一個實施例中，通過在流動通道中放置非常薄的金屬板來移除離子，一些金屬 板中存在電壓。允許離子從單個間隙進入測量室。在這種情況下，發射間隙處於通道的中 心部，或者不完全處於側部。發射間隙定位於中心通道是有利的，這是因為離子相對於流動 是分散的，並且每單位時間最大離子的密度是在通道的中心。通過將離子設為等電勢而使 得離子通過最居中的(或另外選擇的)間隙。通過合適的勢壘場收集在別處遠離的離子。 足夠薄的板不會干擾流動，反而會以下述方式使合適通道的流阻均等，即，以流動經過每個 間隙的方式。在優選結構中，流動引導板可具有相互不同的尺寸，以控制流動分布。根據本發明的可攜式(尺寸)二級吸入離子遷移譜測定法的特徵總結如下例如 通過放射源在流動通道的整個高度上產生離子。通過分隔流動通道的板結構濾除來自別處 的離子，使得離子從受限區域，優選從流動速度分布的最大處進入測量室。這裡，通過允許 離子從中心部進入遷移率測量室，可充分利用流動通道中心部的較大的離子密度(每單位 時間)。藉助發射板結構之前的電場，例如通過依靠電場來增加通道中心部的離子密度，能夠對離子進行引導。發射板結構還起屏蔽的作用，防止直接離子化的輻射進入測量室。該 結構允許進行緊湊地測量。該結構能夠充分加以利用以實施DMS/FAIMS型測量。當二級產 生的離子流去掉了遷移率分布的期望部分時，該結構可與所謂掃描型測量結合。


下面，藉助於示例並參考附圖描述本發明，其中圖1示出實施傳統吸入單元的方式；圖2示出所謂的掃描單元的結構；圖3a示出另一個二級吸入離子遷移光譜測定單元的示意圖；圖3b示出圖3a的實施例的變型；圖4示出實施預濾器的阻擋板結構的一種替代方案；圖5示出另一個二級吸入離子遷移光譜測定單元的結構；圖6示出預濾器的示意性結構；圖7示出預濾器之前的流道的剖視圖；圖8示出先前的、稍作更改的二級方案的示意圖；圖9示出吸入離子遷移光譜測定單元的實踐實施方案的軸測圖和截面；圖10示出吸入離子遷移光譜測定單元的第二實踐實施方案的軸測圖和截面；以 及圖11示出比先前更為簡單的吸入離子遷移光譜測定單元的第三實踐實施方案的 截面。
具體實施例方式圖3a示出位置分離二級吸入離子遷移譜測定法的操作的示意圖。將離子化的氣 流10導入測量通道12中，由此在通道中出現典型的拋物線速度剖面。從實際測量的角度 而言，中心部件是位置分離單元，其中不同遷移率的離子聚集到由標記ΚΙ、K2和K3所指示 的不同位置。氣流以如下方式形成拋物線型剖面，即，以中心處的流動最強的方式。這樣的 流動剖面使得單位時間到達中心的離子多於到達邊緣的離子。藉助於預濾器14使得離子 在遠離邊緣處被收集。該預濾器14包括金屬薄板16，在最外側的兩個金屬薄板16上設有 集電壓。由於帶有電場的通道去除離子，所以也稱作截斷通道。截斷通道對實際的氣流幾 乎沒有任何的影響。最居中的板以這樣的方式接地或者設置為互相等勢，即，以板之間不存 在電場且使離子通過所述板的方式，從而在這些板之間形成發射通道a。利用這種結構，在 不同的位置都能夠精確地收集不同遷移率的離子。在優選結構中，最居中的通道的橫截面 面積小於整個橫截面面積，並存在多個發射通道。簡單而言，在圖中僅示出了描述該構思所 需要的間隙數量。根據圖3b，與上述不同的是，如果實際上存在有靜電場或緩慢變換(掃描)的弱電 場，那麼可將發射通道改造成過濾器。在該圖中，示出了邊界13a和13b 一邊界線13a 遷移率受DMS或DC發射場限制，遷移率較大的離子將無法通過。一邊界線13b 從DMS或DC場發射的遷移率較小的離子通過並行進到測量區域以 進行分離。
發射通道還能夠以如下兩種方式用作過濾器1)藉助於發射通道，通過在發射通道中設置電壓(場)，可以限制進入高遷移率的 測量通道。發射通道的電壓確定遷移率，高於該電壓時不能進入測量。通過逐步改變該電 壓，並通過選擇合適的發射窗能夠使測量的精度得到顯著改善。2)通過將發射通道用作DMS過濾器，只有通過不均勻電場的這些離子得以進入測 量，所述不均勻是相對於DMS過濾器的補償電壓、時間、場強中每一個而言的。由於可採用替代方案來提高測量的速度，所以上述方法也是可以替換的。圖4示出了實現預濾器14的阻擋板結構的一種替代方式。傳感器的主體用附圖 標記4標示。在圖4的實施方案中，離子在別處被離子化，並且被離子化的氣體被引到阻擋 板之前的流動通道(從左側)。在圖中，原始實施方案的窄帶14. 1相對於電壓場位於左側。 在大量生產的結構中，板通過組裝孔或其他單獨的連接點連接到電壓源。圖5示意性示出了大體上的二級結構。到達預濾器的離子Jl-n來自流動通道整個 區域，但是只從中心離開預濾器14。出於簡化的原因，在圖中只畫出三個測量通道el_e3， 即三個測量帶，事實上可以多於三個。從圖6中可以看出預濾器的大體結構，其中E—般表示電場，而字母旁邊的數字指 的是實際排布中各個場可具有不同的量級。雖然在最佳情況下，最居中的場(E = O)實際 上布置成使得其中的場強為零，或者布置成將變化的電場用於所討論的流動通道。在這種 情況下，發射通道用附圖標記「a」來標示。其他電場用於排出離子，採用多通道的方案是為 了通過使整個通道上的流阻統一而使流道流動均衡。圖7示出了絕緣包20和形成在其內部的、在預濾器14之前切開的流動通道12的 橫斷面。氣流從圖中的左手側進入，經預濾器14在通道中行進，並且從流動通道的端部處 設置的開口(未示出)離開。在絕緣包20上方和下方封閉該結構的測量板在圖7中未示 出。該圖中示出了系統的總結構，其由交替的絕緣板和場板組成。通過使用恆定電場，或者使用變化的電場，可以從一個或多個位置對離子進行不 受位置影響的測量。這兩個方案在公開文獻和專利文獻中均有描述。通過在儘可能靠近測 量位置處產生離子並在聚集之前由電場對離子進行引導，或者以機械方式依靠用於控制流 動的板，上述二級方案能夠得到進一步發展。這些措施旨在使測量過的離子所帶來的流動 信號最大化。圖8是對前一方案稍作更改的二級方案的示意圖。在該實施例中，通過電場引導 不同極性的離子，使其彼此分開。其目的在於減緩離子重組並增加到達測量位置的離子數 量，而且通過這種方式對電流進行測量。由於極性分離使從中心部到達的離子發生移動，因 此可對發射間隙進行定位。以上是機電式二級實施方案的示意圖。流動通道12的高度可以是例如5mm。因 而可以將輻射源定位在流動通道中(步驟1-離子化區域)。在圖中，管內的虛線示意性示 出了輻射源。緊隨形成之後，不同的極性通過電場彼此分離(步驟2-離子根據極性預先分 離)。極性分離使測量的極性發生移動而稍稍遠離中心部。其目的是在廣闊區域上充分利 用流動通道中心部的高速度。在儘量靠近遷移率測量位置處實施離子化使得所測量的離子的數量最大化。極性 的彼此分離降低了重組速度，這可能具有明顯增加離子數量的影響。除了其主要任務之外，離子預濾器(步驟3-離子屏蔽場和發射通道a)還可作為輻射源的α粒子的屏蔽，即防止 α粒子進入離子遷移率測量室(步驟4-測量遷移率)。除以上實施方式以外，二級結構也可實施為所謂的DMS結構，其中採用了旨在生 成二級的過濾器，從而生成高強度的非均勻高頻場。DMS測量原理本身是公知的，但是以二 級方式執行的方式卻是新穎的。圖9中示出了離子遷移譜儀的傳感器部件20的更詳細視圖，其中在測量通道12 處將傳感器部件縱向剖開，同時將上方的離子室18橫向剖開。在這種情況下，下測量板21是更大的電路板的一部分，其上具有設備的其它電子 器件。傳感器部件包括多層結構，其中最底部是支撐板22，在所述支撐板22上方依次是 下測量板21、通道板23、上測量板24和較厚的連接器板26。樣本氣體從連接部「入口 」被帶入到離子化室18，在所述離子化室18中具有選定 的輻射源8 (未示出)。離子化的樣本氣體經中間連接部19導入到細長的測量室12，其操 作將稍後說明。樣本氣體從測量室12排出到連接部「出口」 一也就是排出到周圍空氣中， 或者在封閉式抽樣中，樣本氣體返回到其起始處。按公知的方式，在測量室12中具有測量帶(el，e2，e3)，每個測量帶都是一對電極 (例如el+和el_)，其電壓保持恆定，並測量其中的電流。在該圖中，未示出預濾器14的橫斷面，因此預濾器14從該結構的其餘剖面突出。 同時，這對測量室12的寬度給出了一些概念。如上所述，預濾器14包括連接到選定電勢的 金屬薄板。發射通道板，即通常最居中的板，接地。電壓從另一側(未示出)引到所述板。圖10中示出了離子遷移譜儀的更為簡化的第二種實施例，其中傳感器部件如同 圖9中那樣剖開。與上面相同的附圖標記用於功能相似的部件。相似的部件有一配備有連接部「入口」的離子室18，一測量室 12，一將離子室18連接至測量室12的中間連接部19，一位於測量室端部的「出口」連接部，一由板組裝的結構，包括板22、21、23、24、25和26，另外，新板22a和24a_24d。多層結構與之前的結構相似，只是所有板的厚度均相等，而且用較薄的分隔板來 替代去除板的部分厚度。預濾器14的形成方式為，在板21和24的選定點具有橫穿測量室 的頸部16'。與圖7和9中的分隔板16相對應，在這些頸部處，板的表面上具有導體。電 極因此是每個電路板的一部分。在頸部16'之間形成分通道，在本實例中為三個分通道。 最居中的一個通道為發射通道(a)，而另兩個通道為截斷通道。生成發射通道的靜零電場的 電極或者位於發射通道內，或者位於絕緣部外。發射通道的電極可以是單獨的，或者在每側 上與截斷通道的最近的電極成對共用。多層結構可按照許多其他方式自然形成。結構的主要特徵在於通道空間和電極。 測量室12在預濾器14之後變窄，從而成為甚至比發射通道a更窄的通道12'。在通道 12'中，具有如上所述的分離器電極(未示出)並且其高度為預濾器高度的約20% (通常 為10%-30%)，寬度保持相同。已證實該結構出人意料地有用和穩定。發射流在來自邊緣 的截斷流之間變窄，當不與測量通道12'混合時，發射流一起變得更大。於是在測量通道的 較小橫截面處能夠將離子精確地引導至較窄部分，而且獲得精確的距離分離。由於橫向距離小(0. 2mm-1mm，優選0. 4mm-0. 7mm)，所以分離在低壓下工作良好。通常，通過使用一個或 兩個截斷通道，能夠將含有離子的發射流精確地引導至較小橫截面的選定點。圖11以簡化形式示出了又一個實施例。在厚度平均的測量室中具有預濾器，其中 截斷通道板16a的長度與速度剖面恰恰相反，即板朝向發射通道的長度有所減小。另外，發 射通道a的板相對於其他的板組稍稍突出。這是用來指示電場和流動剖面的形狀。分離按 照如上所述的相同方式進行。在上述實施例中，樣本氣體的流速通常為每分鐘1-3升，優選為約2升/分鐘。
權利要求
1.一種用於測量氣態物質的方法，所述方法包括以下步驟 一對氣流(10)中的樣本氣體離子化，一引導離子化的氣流通過細長的離子遷移率測量室(12)，一藉助於橫向電場和設置在所述測量室的壁上的至少一對測量電極(ei，e2, e3)，在所 述測量室(12)中對離子遷移率不同的離子CL_n)進行分離， 其特徵在於，一沿流動方向在所述測量電極(e」 e2, e3)之前的選定距離處，將氣流分成至少兩個分 流以對離子進行預過濾(14)，其中一所述選定距離處的其中一個分流稱作發射流(a)，另一個分流稱作截斷流，以及 一藉助與離子CL-J遷移率相關的靜電場，從每個截斷流的所述離子化氣體中濾出離 子(JiJ，以及一在所述預過濾(14)之後，藉助於設置在所述發射流(a)中的零場，允許所述發射流 (a)中的至少選定離子進入分離(14)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，具有至少三個分流，並且所述發射流(a) 實質上處於氣流的速度分布的最大點處。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，通過分通道來產生分流，所述分通道 的長度從邊緣朝向所述發射流減小。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在所述預過濾之後，將氣流引向實 質上較小的橫截面，在該橫截面，通過至少一個未離子化的截斷流將含有離子的發射流(a) 引導至所述較小的橫截面中精確限定的點處。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述預過濾之前，基於不同 的極性使離子彼此分離。
6.一種用於測量氣態物質的離子遷移譜儀，其中，所述離子遷移譜儀包括 一測量室(12)，一用於生成氣流並引導所述氣流通過所述測量室(12)的裝置， 一在所述測量室(12)之前使氣流離子化的裝置(18)，一在所述測量室(12)的選定長度上用於生成橫向測量電場的裝置和位於所述測量室 (12)的壁上的至少一對測量電極(ei，e2, e3),一從每個測量電極對(e」 e2, e3)測量離子流的裝置， 其特徵在於，所述測量室還包括一預濾器，所述預濾器沿流動方向設置在所述測量電極對(ei，e2，e3)之前，用於沿橫截 面將所述測量室分成至少兩個單獨的平行分通道以生成分流，一個分通道為發射通道(a)， 另一個分通道為截斷通道，以及一用於生成與離子遷移率有關的靜電場(E0-E6)的裝置，以及在每個截斷通道中用於 遠離這些分通道的分流進行收集的集電極(16)，一 一個電無源分通道，所述電無源分通道在所述橫截面的選定點處形成所述發射通道 (a)，從而允許離子儘可能不受幹擾地通過所述電無源分通道。
7.根據權利要求6所述的離子遷移譜儀，其特徵在於，所述選定的分通道為至少三個， 所述發射通道位於所述截斷通道之間。
8.根據權利要求6或7所述的離子遷移譜儀，其特徵在於，使用幾個金屬薄板(16)構 成所述分通道，所述金屬薄板在選定長度上將所述測量室分成多個窄的部分。
9.根據權利要求6或7所述的離子遷移譜儀，其特徵在於，所述預濾器(14)包括3-11 個分通道，優選包括5-9個分通道。
10.根據權利要求6或7所述的離子遷移譜儀，其由置於彼此頂部的板組組裝而成，所 述板組由多個板(22，21，22，23，23，24，26)構成，其中，在彼此的頂部上形成板開口，以形 成所述測量室(12)和其他通道空間，其特徵在於，所述預濾器(14)的所述分通道由頸部 (16』 )構成，所述頸部在選定板處穿過所述測量室(12)，在所述板間處板的相應位置處形 成有開口。
11.根據權利要求6-9中任一項所述的離子遷移譜儀，其特徵在於，所述離子遷移譜儀 包括定位於所述預濾器之前的帶有電壓源的附加電極，用於通過電場使帶有不同極性的離 子彼此分離。
12.根據權利要求11所述的離子遷移譜儀，其特徵在於，所述預濾器的集電極(16)是 電路板的各個部分，所述板(22，21，22，23，23，24，26)由所述集電極形成。
全文摘要
本發明涉及一種用於測量氣態物質的方法和設備，其中所述方法包括以下步驟使氣流(10)中的樣本氣體離子化，在細長的離子遷移率測量室(12)所限定的橫截面中將離子化的氣流引導通過所述測量室，在與測量電極(e1，e2，e3)的相距一定距離處從離子化的氣流中濾出(14)離子，從而使得只有從選定點處的流動橫截面行進的離子通過，藉助於橫向靜電場和沿測量室的壁排布的至少一對測量電極(e1，e2，e3)，對離子遷移率不同的離子(J1-n)進行分離。
文檔編號H01J49/28GK101999156SQ200980112343
公開日2011年3月30日 申請日期2009年4月2日 優先權日2008年4月3日
發明者塔羅·克託, 奧斯莫·安蒂拉尼寧, 爾卡·紹科, 泰爾希·馬蒂拉, 海基·帕克那, 艾斯科·克帕諾拉 申請人:環境學有限公司