专利名称：离子迁移谱仪及其方法
技术领域：
本发明涉及一种使用离子迁移技术检测毒品和爆炸物的离子迀移 谱仪以及应用于其的离子存储和引出的方法，属于安全检测技术领域。
背景技术：
离子迁移谱仪是根据不同离子在均匀弱电场下漂移速度不同而实 现对离子的分辨。通常由进样部分、电离部分、离子门、迁移区、收 集区、读出电路、数据采集和处理、控制部分等构成。现有技术中，
采用Bradbury and Nielson门只在开门阶段将在此期间产生的离子送 往迁移区。关门时期的离子通过离子门被散射到管壁上不能被存储而 被浪费。
中国专利200310106393.6公开了一种离子存储方法，采用三片网 电极代替Bradbury and Nielson门构成存储区，在离子存储阶段，离子 存储在前两片电极之间的无电场区。当需要离子被推入迁移区进行迁 移时，改变第一片网电极电压将离子推到第二片和第三片网电极之间， 再改变第二网电极将离子推到迁移区进行迁移和分辨。由于将存储的 离子两次经过网电极，会由于碰撞和散射影响到灵敏度，而且控制较 为复杂。
美国专利5200614也公开了一种离子存储的方法，由于在离子存 储阶段正负离子存在复合的问题，影响了灵敏度。由于将电离区和存 储区合二为一，虽简化结构，但离子源的尺寸和形状受到一定限制， 影响进一步的使用。
以上技术均需要较长的开门时间，才能将离子送入迁移区，会造 成迁移峰谱形展宽，在相同迁移区情况下，影响分辨率。
发明内容
4为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种 离子迁移谱仪及其方法，能够有效地提高灵敏度和分辨率，且控制简 单方便。
在本发明的一个方面，提出了一种离子迁移谱仪，包括电极； 离子源，与电极毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括聚焦导 向电极，设置在离子源的远离电极的那侧，形成为漏斗状，以将离子 从离子源输出；以及存储部分，设置在聚焦导向电极的输出离子的那
侧，用于存储从离子源产生的离子。
优选地，所述存储部分包括依此排列的第一端电极、中间电极和 第二端电极。
优选地，第一端电极由带有孔的金属片构成。
优选地，第二端电极由网状金属片构成。
优选地，第一端电极和第二端电极之间的距离小于4mm。 优选地，所述离子迁移谱仪还包括设置在存储部分的输出侧的另 一电极。
优选地，所述存储部分与所述另一电极之间的距离小于3mm。 优选地，在电极、离子源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储 部分之间存在电压差且相对电压固定，而在另一电极加上固定电压， 以将离子存储在存储部分中。
优选地，改变第一电极、离子源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极 和存储部分上的电压，以导出存储在存储部分中的离子。
优选地，离子源是同位素源、电晕放电、激光、紫外光或X射线。 优选地，所述电极和另一电极均形成为环状或者网状。 在本发明的另一方面，提出了一种用于离子迁移谱仪的方法，所 述离子迁移谱仪包括电极；离子源，与电极毗邻设置；其中，所述 离子迁移谱仪还包括聚焦导向电极，设置在离子源的远离电极的那 侧，形成为漏斗状，以将离子从离子源输出；存储部分，设置在聚焦 导向电极的输出离子的那侧，用于存储从离子源产生的离子；以及设 置在存储部分的输出侧的另一电极；其中所述方法包括离子存储步 骤，向电极、源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分施加电压使得它们之间存在电压差且相对电压固定，向另一电极施加固定电压， 以将离子存储在存储部分中；以及离子导出步骤，改变电极、源的屏 蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分上的电压，以导出存储在存储 部分中的离子。
本发明由于采取了源与存储区分开的方案，可以方便离子源的互 换，在不改变后续结构的情况下更换不同的源。
网电极、离子源、聚焦导向电极和存储部分组成组合电极，网电 极、源的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极和存储部分存在电压差且相对 电压固定，第一环电极加上固定电压，组合电极上的电压可以浮动变 化实现离子的存储和导出。
在离子存储阶段，所需收集的正或负离子在电场的作用下通过聚 焦导向电极漂移到存储部分内部进行存储。由于存储部分在离子需要 移动的方向可以作的很薄，直径可以做得较大，且内部电场几乎为零， 可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零，减少离 子迁移谱的展宽，可提高分辨率。
在离子导出阶段，改变组合电极电压将离子推到迁移区，随即整 体电压恢复到存储状态。
图1是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的离子迁移谱仪中采用的电极示意图。
图3A到图3C是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储 部分的侧面示意图。
图4是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储部分的正 面示意图。
图5示出了根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的聚焦导向 电极的侧面和正面示意图。
图6是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的 各电极的电势示意图。
图7是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的
6各电极电压随时间变化的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步说明。本发明即 可工作在负离子模式也可工作在正离子模式，为方便起见，本文仅介 绍正离子模式的情形。
图1是根据本发明实施例的离子迁移谱仪的结构示意图。如图1 所示，根据本发明实施例的离子迁移谱仪包括依次排列的网电极1、
离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4、第一环或网电极5、其余环 电极6和法拉第盘7等。
根据本发明的实施例，离子源2可以为同位素源如镍63，也可以 为电晕放电、激光、紫外光、X射线等源。
如图2所示，网电极1可以形成为附图标记8所示的样式，当然 包含各种样式的孔，如六边形孔、圆孔等。第一环电极5也可以形成 为附图标记9所示的样式，也可形成为附图标记8所示的环状样式。
图3A到图3C是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用的存储 部分的侧面示意图。图4是根据本发明实施例的离子迁移谱仪所采用 的存储部分的正面示意图。
如图4所示，存储部分4为一个一边为小圆孔的金属薄片10 (如 图3A)、中间为圆环11 (如图3B)、另一边为网状孔的金属薄片12 (如图3C)的金属盒。网状孔的网丝要求尽可能细，两金属片10和 12之间的距离应该小于4mm，该存储部分内部形成无电场区。
如图5所示，附图标记13和14分别表示聚焦导向电极3的正向 剖图和侧视图。聚焦导向电极3形成为漏洞状，从毗邻离子源2的一 侧向远离离子源2的一侧逐渐变大，形成聚焦电场，从而起到离子导 向的作用，也可用一组这样的电极进行聚焦。另外，存储部分4和第 一环电极5之间的距离应小于3毫米，从而方便离子的推出。
图6是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的 各电极的电势示意图。如图6所示，附图标记15表示网电极1上施加 的电压。附图标记16表示离子源2上施加的电压；附图标记17表示
7聚焦导向电极3上施加的电压；附图标记18表示存储部分4上施加的 电压；附图标记19表示第一环或网电极5上施加的电压。
图6中所示的实线为存储状态时网电极1、离子源2、聚焦导向电 极3、存储部分4电势图，虚线为离子导出状态时网电极1、离子源2、 聚焦导向电极3、存储部分4各点电势图。网电极l、离子源2、聚焦 导向电极3和存储部分4加上的电压可以浮动，网电极1与离子源2 的屏蔽金属外壳以及与聚焦导向电极3和存储部分4存在电压差，第 一环或网电极5加上固定电压，第一环或网电极5和后边的环电极6 加上均匀递减的电压形成迁移区。实线20为环电极以后对应的各点电 压，在存储阶段和离子导出阶段都保持稳定不变。
在离子存储阶段时，正离子将移动到形成的附图标记18处的势阱 中进行存储，调节各点电压形成合适的势阱深度满足最大存储量和快 速推出的要求。
在离子引出阶段，将网电极l、离子源2、聚焦导向电极3、存储 部分4加上的电压同时提高到如虚线所示的电压，使得离子被导入到 迁移区进行漂移、分辨，随后整体电压恢复到存储状态时的电压。
图7是根据本发明实施例的离子迁移谱仪工作在正离子模式时的 各电极电压随时间变化的示意图。如图7所示，附图标记21、 22、 23、 24、 25分别为网电极1、离子源2、聚焦导向电极3、存储部分4和第 一环电极5上所施加的电压随时间变化的波形。
在存储阶段时，网电极1、离子源2、聚焦导向电极3的电压均高 于存储部分4的电压，第一环或网电极5的电压25也高于存储部分4 的电压22，调节附图标记21、 22、 23、 24、 25所表示的基线电压和 跳动幅度能够使存储的离子容量最大并能快速推出。
当要将离子从存储区导入迁移区，将网电极l、离子源2、聚焦导 向电极3和存储部分4上施加的电压同时抬高一定幅度，且均高于第 一环电极5的电压25，就可以将离子推到迁移区，随后再恢复到存储 状态。
如上所述，明由于釆取了离子源2与存储部分4分开的方案，可 以方便离子源2的更换，允许在不改变后续结构的情况下更换不同的
8离子源。
另外，网电极1、离子源2、聚焦导向电极3和存储部分4组成组 合电极。网电极l、离子源2的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极3和存 储部分4存在电压差且相对电压固定，而在第一环电极5加上固定电 压，组合电极上的电压可以浮动变化实现离子的存储和导出。
在离子存储阶段，所需收集的正或负离子在电场的作用下通过聚 焦导向电极3漂移到存储部分4内部进行存储。由于存储部分4在离 子需要移动的方向可以作的很薄，直径可以做得较大，且内部电场几 乎为零，可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零， 减少离子迁移谱的展宽，可提高分辨率。
在离子导出阶段，改变组合电极电压将离子推到迁移区，随即整 体电压恢复到存储状态。
要说明的是，以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案， 尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本
发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权 利要求范围当中。
9
权利要求
1、一种离子迁移谱仪，包括电极(1)；离子源(2)，与电极(1)毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括聚焦导向电极(3)，设置在离子源(2)的远离电极(1)的那侧，形成为漏斗状，以将离子从离子源(2)输出；以及存储部分(4)，设置在聚焦导向电极(3)的输出离子的那侧，用于存储从离子源(2)产生的离子。
2、 如权利要求l所述的离子迁移谱仪，其中所述存储部分(4) 包括依此排列的第一端电极(IO)、中间电极(11)和第二端电极(12)。
3、 如权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中第一端电极(10)由带有孔的金属片构成。
4、 如权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中第二端电极(12)由网状金属片构成。
5、 如权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中第一端电极(10)和 第二端电极(10)之间的距离小于4mm。
6、 如权利要求l所述的离子迁移谱仪，还包括设置在存储部分(4) 的输出侧的另一电极(5)。
7、 如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中所述存储部分(4) 与所述另一电极(5)之间的距离小于3mm。
8、 如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中在电极(1)、源(2) 的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极(3)和存储部分(4)之间存在电压 差且相对电压固定，而在另一电极(5)加上固定电压，以将离子存储 在存储部分(4)中。
9、 如权利要求8所述的离子迁移谱仪，其中改变第一电极(1)、 源(2)的屏蔽金属外壳、聚焦导向电极(3)和存储部分(4)上的电 压，以导出存储在存储部分(4)中的离子。
10、 如权利要求l所述的离子迁移谱仪，其中离子源(2)是同位素源、电晕放电、激光、紫外光或x射线。
11、 如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其中所述电极(1)和另 一电极(5)均形成为环状或者网状。
12、 一种用于离子迁移谱仪的方法，所述离子迁移谱仪包括 电极(1);离子源(2)，与电极(1)毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪 还包括聚焦导向电极(3)，设置在离子源(2)的远离电极(1)的那侧，形成为漏斗状，以将离子从离子源(2)输出；存储部分(4),设置在聚焦导向电极(3)的输出离子的那侧， 用于存储从离子源(2)产生的离子；以及设置在存储部分(4)的输出侧的另一电极(5)其中所述方法包括离子存储步骤，向电极(1)、离子源(2)的屏蔽金属外壳、聚 焦导向电极(3)和存储部分(4)施加电压使得它们之间存在电压差 且相对电压固定，向另一电极(5)施加固定电压，以将离子存储在存 储部分(4)中；以及离子导出步骤，改变电极(1)、离子源(2)的屏蔽金属外壳、 聚焦导向电极(3)和存储部分(4)上的电压，以导出存储在存储部 分(4)中的离子。
全文摘要
公开了一种离子迁移谱仪及其方法。该离子迁移谱仪包括电极；离子源，与电极毗邻设置；其中，所述离子迁移谱仪还包括聚焦导向电极，一个或一组，设置在离子源的远离电极的那侧，形成为漏斗状，以将离子从离子源输出；以及存储部分，设置在聚焦导向电极的输出离子的那侧，用于存储从离子源产生的离子。本发明由于采取了离子源与存储区分开的方案，可以方便离子源的互换，在不改变后续结构的情况下更换不同的源。由于存储部分在离子需要移动的方向可以作的很薄，直径可以做得较大，且内部电场几乎为零，可以收集大量的离子且团簇厚度很小，且定向速度几乎为零，减少离子迁移谱的展宽，可提高分辨率。
文档编号G01N27/64GK101470100SQ200710304330
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者张清军, 华 彭, 李元景, 陈志强 申请人:同方威视技术股份有限公司;清华大学