专利名称：离子捕获迁移率频谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测痕量的关注物质的探测器。
背景技术：
在运输设施、政府建筑、银行、餐馆、酒店以及其他具有大量行人或车 辆交通流量的地点持续存在恐怖主义危险。因此，几乎所有机场和许多其他 建筑现在都包括用于探测痕量爆炸物的设备。
麻醉毒品是非法并且暗中危害的。此外，已知许多恐怖组织通过麻醉毒 品的获利出售来资助其恐怖活动。相应地，许多机场和其他公共建筑都认识 到检查麻醉毒品的需要。
离子迁移率频谱仪从大约1970年开始商业应用，并被用于检测样品气 流中至少选定的成分的存在。离子迁移率频谱仪可被用于探测样品气体中爆 炸物的存在。典型的现有技术的离子迁移率频谱仪包括电离区和漂移区。用 于分析的空气样品被包含卣化物的栽体气流送入电离区。载气被从电离室的 放射壁发射的P粒子所电离，以形成正离子和电子。电子被气体捕获，引起 一系列导致卣素电离的反应。关注的分子通过与这些气相离子的相互作用而 形成离子。在电离区中建立电场。该场的极性可以被设定为将关注的离子指 向现有技术探测器的漂移区。离子穿过漂移区并朝着漂移区与电离区相对的 末端的收集电极(collector electrode )行进。到收集电极的漂移时间依据离 子的尺寸改变比(size-to-change)而变化。根据离子的到达时间而会在不同 的时间在收集电极建立电流。该电流被放大并转换成用于信号分析目的的电 压。关注的具体物质会具有唯一的漂流时间。探测器可以被校准，从而基于 该漂移时间来鉴别关注的物质并为操作者给出报警信号。遗憾的是，传统的 离子迁移率频谱仪仅允许离子在短时段进入漂移区。在所有其他时间到达漂 移区入口的离子均被放电。结果，在老式离子迁移率频语仪中多数离子被放 电，而老式离子迁移率频语仪的电离和收集效率小于0.01%。相应地，老式 离子迁移率频谱仪不能探测许多可能存在于样品中的关注的物质。
美国专利No. 5200614和美国专利No. 5491337均公开了一种提供对于 探测痕量的关注物质的增强能力的离子捕获迁移率频语仪(ITMS)。美国 专利No. 5200614中示出的离子捕获迁移率频谱仪用载气将样品气体载入探 测器入口。载气可以由用作电荷转移i某质的低浓度气体来掺杂。关注的样品 分子通过入口和扩散器被送入电离室。现有技术的电离室具有杯状金属壁并 在室内设置了放射性材料。开口格栅电极位于电离室的下游端且通常与电离 室的金属壁电势相同。这样就在电离室中定义了大的无场空间。电子和离子 电荷构建了该无场空间并在来自放射性壁的P粒子的轰击下与样品分子相互 作用。然而，跨越电离区周期性地建立场以将离子扫入ITMS的漂移区。漂 移区中的离子经受由环状电极维持的恒定电场，并沿漂移区被驱向收集电极 以基于它们的离子频谱进行分析。跨越格栅电极和电离室的金属杯的场在大 约0.2毫秒以后被再次减小到零，并且再次允许在室中构建离子布局以为下 一场的施加做准备。现有技术的探测器的场的极性根据该探测器是在负或正 离子模式下运行来选择。当探测爆炸物时通常优选负离子模式。美国专利 No. 5491337公开了一种正模式的具有增强性能的离子捕获迁移率频谱仪用 于检测痕量麻醉毒品的存在。美国专利No. 6765198公开了一种离子捕获迁 移率频谱仪，该离子捕获迁移率频诿仪能在负模式下分析单个样品以检测爆 炸物并在正才莫式下才全测麻醉毒品。美国专利No. 5200614、美国专利No. 5491337和美国专利No. 6765198所公开的内容在此引用结合于此。
结合了美国专利No. 5200614、美国专利No. 5491337和美国专利No. 6765198的教导的探测器由GE Security, Inc.上市，并被证明非常有效且在商 业上取得了成功。然而，仍然存在对于具有改进的分辨率的探测器的需要。 在这点上，已经确定上述探测器探测到的峰的分辨率依赖于引入漂移室的离 子脉沖的宽度，以及由于扩散、电子排斥和其他因素所引起的漂移室中离子 云所经历的展宽。还确定了电离室靠近格栅电极的外围区域在将离子引入漂 移室的过程中造成了较高的电场。这些较高电场区域中的离子会先于定义电 离室的周壁向内的电离室的较低电场区域中的离子被引入漂移区。离子引入 时间的差别加宽了离子脉冲并降低了探测器的总的峰的分辨率。相应地，本 发明的目标是提供一种具有改进的分辨率的探测器。
发明内容
本发明涉及一种探测器并优选涉及一种包括离子捕获迁移率频谱仪的 探测器。该探测器具有用于接收检测关注的物质的样品的入口。样品可以通
过以下方式接受经过人或包裹的空气流；从包裹或行李转移到样品捕获器 的颗粒；从嫌疑犯的手转移到票或卡的颗粒；直接从嫌疑犯的手转移到探测 器的样品收集表面的颗粒；或者其他收集可能具有关注物质的样品的可选择 的方法。探测器包括加热器，用于充分加热收集到的样品以使其蒸发。然后 探测器包括输运气体源，该输运气体将蒸发的样品输运到探测器中。用于收 集样品、蒸发样品和将样品输运到探测器中的装置可以是已知的装置，比如 美国专利No. 5200614、美国专利No. 5491331、美国专利No. 6073499、美 国专利申请公开No. 2005/0019220或未决美国专利申请No. 10/929915所公 开的，这些公开的内容在此引入作为参考。
探测器具有用于接收包括蒸发样品的气流的入口 ，该样品用于检测至少 一种关注物质的存在。探测器进一步包括与入口相通的电离室以及与该电离 室相通的漂移室。
电离室优选为具有入口和出口的通常的杯状结构。到电离室的入口接收 包括蒸发的样品的气体，该样品将被用于检测至少一种关注物质的存在。电 离室的出口端优选为横截面大于入口。电离室优选为由金属材料形成并包括 放射性材料。优选的电离室由镀金金属杯形成并在该杯的内周表面设有放射 性薄片。优选的放射性材料是镍63。
漂移室具有与电离室的出口相通的入口端。漂移室还包括出口端，而且 在漂移室的出口端附近设置收集电极。漂移电极设置于漂移室的入口端与收 集电极之间，并用于维持有助于离子从电离室到收集电极的控制的向下游漂 移的电场条件。
本发明主题的探测器进一 步包括位于电离室出口的第 一格栅电极以及 位于该第一格栅电极下游方向的第二格栅电极。在探测器运行的离子积累阶 段，相对于电离室的壁并相对于第二格栅电极对第 一格栅电极施加微小的电 势偏置。结果，电离室中生成的离子被吸引到第一格栅电极。更具体地，对 于正离子模式运行(例如麻醉毒品的检测)施加负偏置，而对于负离子模式 运行(例如爆炸物的检测)施加正偏置。第一格栅电极和电离室和第二格栅 电极之间的电势差别小，却有效地生成"电势阱"。在运行的离子积累阶段， 在第 一 和第二格栅电极之间的电势阱中积累离子。
探测器通过在第一和第二格栅电极之间短时间地生成电场来将离子引 入漂移室。这有别于现有技术的探测器，现有技术的探测器是通过在电离室 的杯状壁和格栅电极之间生成电场来将离子引入漂移室。本发明主题的第一 和第二格栅电极共面，基本平行并且靠近在一起。结果，在第一和第二格栅 电极之间产生的电场基本均匀。在第 一和第二格栅电极之间的该电势阱中加 速的给定类型的离子基本同时并以基本相同的速度向漂移区移动。结果，较
窄谱带(band)的离子被引入漂移室，从而改善分辨率。另外，由于离子集 中在由第 一和第二格栅电极之间的电势阱所定义的相对小的空间中，灵敏度 得到改善。
图1是依照本发明主题的离子捕获迁移率频谱仪探测器的示意性截面图。
具体实施例方式
图1示出依照本发明主题的离子捕获迁移率频谱仪。离子捕获迁移率频 谱仪包括通常为柱状的探测器20,该探测器20 —端具有入口 22用于接收通 过载气带来的关注的样品空气。如上面在此引入作为参考的专利所述，载气 可以掺杂有用作电荷转移媒质的低浓度蒸气。样品空气、载气和任何可能用 到的掺杂物分子经过入口 22并被扩散器24散布到电离室26中。电离室26 包括由镀金的导电金属形成的杯28，杯28具有从入口 22向外延伸的入口端 壁30及从入口端壁30向下游延伸的柱状或漏斗状的侧壁32。薄片34施加 到柱状侧壁32的内表面。薄片34由发射P粒子的放射性材料比如镍。或氖 形成。第一格栅电极Gl跨过柱状侧壁32的下游端延伸。第二格栅电极G2 设置于从第一格栅电极G1略向下游处并基本平行于第一格栅电极G1排列。
漂移室40与电离室26的下游端相通。漂移室40包括基本相互平行并 在第二格栅电极G2下游排列的多个开口格栅电极E1 -EN。收集电极42基 本位于漂移室40的下游端并与处理器和读出装置相连。漂移室40的下游端 还包括排气出口以允许气体从离子捕获迁移率频谱仪20流出。
在离子捕获迁移率频谱仪的运行周期的离子积累阶段期间，由控制器48 对第一格栅电极G1施加相对于杯28和第二格栅电极G2的微小的电势偏置。
在这点上，在用于探测麻醉毒品的正离子模式运行中将负偏置施加到第 一格 栅电极Gl,而在用于探测爆炸物的负离子模式运行中将正偏置施加到第一
格栅电极G1。结果，在离子捕获迁移率频谱仪20的运行的离子积累阶段期 间，电离室26中产生的离子被吸引到第一格栅电极Gl。杯28和第二格栅 电极G2之间的第一格栅电极G1的较低电势造成了电势阱50，而离子倾向 于在电势阱50的区域中积累。
然后离子捕获迁移率频谱仪进行排出(kick-out)阶段以将离子引入漂 移室40。更具体地，当调整第二格栅电极G2到大约漂移室40的漂移场中 最高电势时，将短延续时间的(例如，0.1 - 0.2毫秒)脉冲施加到第一格栅 电极G1，该最高电势典型的是大约IOOO伏。这样，通过在第一和第二格栅 电极G1和G2之间产生电场将离子引入漂移室40，而不是如现有技术那样 仅仅通过在杯28和第一格栅电极Gl之间产生电场。第一和第二格栅电极 G1和G2是平面的，平行的并且靠近地隔开。这与杯28的非平面构造不同。 结果，在第一和第二格栅电极Gl和G2之间产生的电场是均匀的。给定类 型的离子在大约相同时间以相同速度加速进入漂移室40。结果，较窄谱带的 离子进入漂移区以获得增强的分辨率。另外，因为离子集中在定义于第一和 第二格栅电极G1和G2之间的电势阱50的相对小的空间中，所以灵敏度得 到改善。
尽管本发明关于优选实施例作了描述，显而易见的是在不脱离由所附权 利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以进行各种修改。
权利要求
1、一种离子捕获迁移率频谱仪，包括入口，用于接收检测至少一种关注物质的存在的样品；电离室，具有下游端和与所述入口相通的上游端；漂移室，具有与所述电离室的下游端相通的上游端，和与所述漂移室的上游端相对的下游端；靠近所述漂移室的下游端的收集电极，用于收集经过所述漂移室的离子；第一格栅电极和第二格栅电极，基本在所述电离室的下游端与所述漂移室的上游端之间的分界处基本上相互平行地排列；以及控制器，用于在所述第一格栅电极和第二格栅电极之间积累离子的离子积累阶段期间，相对于所述第二格栅电极施加微小的电势偏置到所述第一格栅电极，所述控制器还运行以施加脉冲到所述第一格栅电极从而将所述第一格栅电极和第二格栅电极之间积累的离子加速到所述漂移室中并朝向所述收集电极。
2、 如权利要求1所述的离子捕获迁移率频谱仪，其中当所述脉沖施加 到所述第一格栅电极时，所述第二格栅电极和所述漂移室的上游端被维持在 基本共同的电势。
3、 如权利要求2所述的离子捕获迁移率频语仪，其中当所述脉冲施加 到所述第一格栅电极用于将所述第一格栅电极和第二格栅电极之间的离子 加速到所述漂移室中时，施加大约1000伏的电压到所述第二格姗电极上。
4、 如权利要求1所述的离子捕获迁移率频谱仪，其中所述电离室包括 由导电材料形成的基本上杯状的室壁。
5、 如权利要求1所述的离子捕获迁移率频谱仪，其中所述控制器运行 以对于正离子模式运行施加负偏置到所述第一格栅电极，而对于负离子模式 运行施加正偏置到所述第一格栅电极。
6、 一种运行离子捕获迁移率频谱仪以确定样品中是否存在痕量的关注 物质的方法，所述离子捕获迁移率频谱仪具有用于接收检测痕量的关注物 质的样品的入口；与所述入口相通电离室；第一和第二基本平行的祐，栅电极， 基本在所述电离室的下游端顺次设置；以及在所述第二格栅电极下游的漂移 室，所述方法包括在离子积累阶段运行所述离子捕获迁移率频语仪，通过相对于所述电离 室的周壁和所述第二祐4册电极施加电势偏置到所述第 一格栅电极，从而在所 述第 一格栅电极和第二格栅电极之间定义电势阱，所述电势阱在其中积累窄谱带的离子；施加脉沖到所述第一格栅电极，同时基本将所述第二格栅电极维持在由 所述漂移室定义的电势，从而将来自定义于所述第一格栅电极和第二格栅电 极之间的所述电势阱的所述窄镨带的离子加速。
7、 如权利要求6所述的方法，其中施加电势偏置到所述第一格栅电极 的所述步骤包括对于正离子模式运行施加负偏置到所述第一格栅电极，以 探测所述样品中的麻醉毒品。
8、 如权利要求6所述的方法，其中施加电势偏置到所述第一格栅电极 的所述步骤包括对于以负模式运行所述离子捕获迁移率频谱仪提供正偏置 到所述第一格栅电极，以检测样品爆炸物的存在。
9、 如权利要求6所述的方法，其中施加脉沖的所述步骤包括0.1 -0.2 毫秒的持续时间的脉沖。
10、 如权利要求9所述的方法，进一步包括当所述脉冲施加到所述第 一格栅电极时，调整所述第二格栅电极到基本对应于存在于所述漂移室的邻 近部分中的电压。
全文摘要
一种离子捕获迁移率频谱仪(ITMS)，包括用于接收检测关注物质的样品的入口。入口与电离室相通，而漂移室与电离室的下游端相通。第一格栅电极跨过电离室的下游端延伸，而第二格栅电极在第一格栅电极略向下游的方向并与第一格栅电极平行。将微小的电势偏置施加于第一格栅电极，从而将离子保持在第一和第二格栅电极之间的电势阱中。然而，向第一格栅电极周期性地施加脉冲以将离子加速到漂移室中。在产生脉冲之前电势阱中离子的积累，导致注入到漂移室中较窄谱带的离子并因此获得较高的分辨率。
文档编号H01J49/40GK101356432SQ200680050776
公开日2009年1月28日 申请日期2006年12月20日 优先权日2006年1月9日
发明者保罗·E·黑格 申请人:通用电气安全股份有限公司