专利名称：纵向高场不对称波形离子迁移谱装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可集成离化源和屏蔽电极的高场不对称波形离子迁移检测领域，特别涉及一种纵向高场不对称波形离子迁移谱装置。
背景技术：
随着恐怖主义的猖獗，爆炸物、毒品等物质的空气下检测变得越来越重要。以前的检测仪主要有质谱仪，快速离子迁移谱仪。
质谱仪非常灵敏并且选择性好、反映时间短，但是体积庞大、真空度要求高、功耗大、价格昂贵，不适合在公共场所运作。
快速离子迁移谱仪，通过测定各种不同离子的空间飞行时间来确定离子迁移率从而判定离子的归属，但是其灵敏度依赖于迁移管的长度，长度越长，分辨率越容易做得高，而这直接导致了其小型化的困难。若一定要小型化，那么对检测仪的要求就非常高，这会导致成本的增加。不仅如此，有很多的物质在低场下的离子迁移率非常接近，使得检测变得困难。
高场不对称波形例子迁移谱仪(FAIMS)最早是前苏联在上个世纪80年代开始研制的。气体中的离子在高电场作用下其迁移率会发生非线性变化，从而与低电场下的迁移率会产生一个差值，而不同的离子在不同的高低电场作用下，离子迁移率差值会有所不同，因此在等离子体上加一个交替变化的高低电场，不同的离子便在电场的方向上产生不同的位移，从而能够被有效地分离开来。FAIMS高的选择性和信噪比，引起了广泛的注意，但是其存在体积大、造价高、测量时间长、功率大、不方便携带且很难批量生产的缺点。
致力于FAIMS小型化的且取得有效成果的有两个公司，美国Sionex公司和加拿大Ionalytics公司。
Sionex公司主要研究平板型的微型离子迁移管，且已推出了它的系列核心产品microDMx。此产品体积小，灵敏度高，在与放射性金属元素镅离化源连用检测甲笨时，检测精度可达60ppb量级。此产品能够用在终端用户的检测产品上面，比如手持式检测器以及质谱仪等，2004年3月，Varian Inc公司使用Sionex公司的产品microDMx推出了新产品CP-4900便携式气相色谱检测器，目前该产品已进入中国市场。其主要研究人员拉安安·A·米勒等人在中国申请了相关发明专利(CN 1390361A)。
Ionalytics公司主要研究圆柱型微型离子迁移管，原理同平板型是一样的，只是其两个电极分别是内部的实心圆柱和外面的圆桶，与平板型相比其受外界的电场干扰较小，从而有更高的灵敏度，如与电喷雾离化源(ESI)-质谱仪(MS)连用检测高氯酸盐能够达到0.5-0.005ppb，检测时间为0.5-1min，但是这种离子迁移管圆柱型顶端容易产生电晕放电，所以对制作工艺要求非常高。
无论是Sionex公司还是Ionalytics公司，其产品都只是作为分析仪器的一部分存在的，都没有集成离化源和检测仪，而外接离化源一方面会增大装置的体积，另一方面会使得离化源和迁移管之间的距离过长，从而增加了等离子体复合时间，而这样会降低等离子体浓度，从而减小了可检测的离子数量，而这会降低装置的灵敏度，并且会提高对检测仪的要求。
常用的能够集成于小型装置里的离化源有低能β源，真空紫外灯，电晕放电，表面离化源。
低能β源在紧凑的装置中作为离化源有很大的优点，但是存在安全问题，并且离化效率低。
真空紫外灯可针对性离化，且体积小，易于集成，但是其能量低，约8-11eV，因此对所检测的物种有很大的限制。另外真空紫外灯是易碎的，所以需要防护，并且性能随着时间的推移而下降，这些都限制了它的应用。
电晕放电能够在小空间内使用，且能提供高的能量，但是容易受到污染。
表面离化大多用于真空系统中，在大气中使用会有功耗大，易脱落的缺点。而且装置整体结构较大，不适合集成。
Sionex公司的拉安安·A·米勒等人申请的“小型电容放电等离子体离子源”的专利(CN 1561532A)提供一种小型化、可集成于小型装置的离化源，然而若集成于高场不对称波形离子迁移管，会有几个明显的缺点。其一，这种离化源的放电区很小，从而使得等离子体集中于一个很小的区域，这会造成局部等离子体的浓度过大，而等离子体复合速度是跟浓度的二次方成正比的，这对装置的检测灵敏度是不利的；其二，这种离化源的离化区气流通道远小于高场不对称离子迁移管的气流通道，从而在整体气流通道里面必定存在纵向大的凸起，这样会影响到离子迁移管里气流的纵向运动，而离子迁移管起作用就是靠离子的纵向运动，显然这种离化装置会影响到离子迁移管的稳定性和灵敏度；其三，离化源的离化电压一般在几千伏以上，其在迁移电极上的感应电压会对等离子体在离子迁移管内的运动造成很大的影响，这不仅会影响到装置的灵敏度，也会影响到装置的稳定性；其四，这种离化装置存在较复杂的微结构，会给制作和集成带来困难。
发明内容
本发明的目的是针对现有的高场不对称波形离子迁移谱仪(FAIMS)的不足，提出一种纵向高场不对称波形离子迁移谱仪。
纵向高场不对称波形离子迁移谱仪使用介质阻挡放电离化源，又称介质阻挡电晕放电或无声放电，是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电，能够在高气压和很宽的频率范围内工作，离化效率高，放电稳定均匀，能够集成于小型化的离子迁移管，缺点是离化电压很高，容易对其他的部件产生干扰，本发明用屏蔽电极解决此问题。本发明在不同的区域加上屏蔽电极，能够有效降低不同区域的电场干扰，提高装置的稳定性和灵敏度。
纵向高场不对称波形离子迁移谱仪将介质阻挡放电离化源、屏蔽电极、离子迁移管、检测电极集成于一体，并且通过减小离化区迁移区间隙以及改变气流通道以减少离子复合时间，这样改进后的高场不对称波形离子迁移谱仪具有可独立工作的能力，并且有更高的灵敏度、分辨能力和稳定性。
本发明的技术方案是一种纵向高场不对称波形离子迁移谱装置，包括介质阻挡放电离化源、离子迁移管、屏蔽电极、检测仪、抽气系统，离子迁移管置有迁移电极和迁移电路，迁移电极包括第一迁移电极和第二迁移电极是直接镀于硼硅玻璃即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃内侧的长条状金属薄层，第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃除了第一硼硅玻璃多了出气口和进气口以外完全一样，且位置相对，迁移区是迁移电极即第一迁移电极和第二迁移电极之间的气流通道，迁移电路能够为迁移电极中的第一迁移电极和第二迁移电极提供一个迁移电压；抽气系统置有气泵、出气口、进气口和由硼硅玻璃即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃与硅条组成的矩形气流通道，所述的气流通道包含迁移区、离化区、检测区和离化区迁移区间隙，所述的离化区迁移区间隙介于迁移区和离化区之间，所述的硅条包括端硅条，即为第一端硅条和第二端硅条，侧硅条即第一侧硅条和第二侧硅条，四条规条呈矩形地被夹于硼硅玻璃中的第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃之间且与硼硅玻璃中的第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃键合成一个密封的长方体空腔；
特别是介质阻挡放电离化源包括阻挡介质，即硼硅玻璃以及镀于硼硅玻璃上的离化电极和离化电路，硼硅玻璃包括第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃，离化电极包括第一离化电极和第二离化电极，第一离化电极和第二离化电极之间的气流通道是离化区，离化电路为离化电极提供高频脉冲高压；屏蔽电极置有分别平行镀于硼硅玻璃上即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃上的离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极和迁移检测屏蔽电极，离化迁移内屏蔽电极的形状是矩形且包括第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极，离化迁移外屏蔽电极包括第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极，迁移检测屏蔽电极包括第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极，其中离化迁移外屏蔽电极中的第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极与迁移检测屏蔽电极中的第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极镀于硼硅玻璃即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃的外侧，离化迁移内屏蔽电极中的第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极镀于硼硅玻璃即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃的内侧；离化迁移内屏蔽电极即第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极在X方向上覆盖了离化区迁移区间隙的大部分；离化迁移外屏蔽电极即第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极在X方向上覆盖了离化区迁移区间隙大部分和迁移电极即第一迁移电极和第二迁移电极的小部分；迁移检测屏蔽电极即第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极在X方向上覆盖了迁移电极即第一迁移电极和第二迁移电极的小部分和检测电极即第一检测电极和第二检测电极的大部分；检测仪置有检测电极和检测电路，检测电极包括第一检测电极和第二检测电极，是镀于硼硅玻璃即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃外侧的矩形金属薄层，在Y方向上的尺寸等于或者小于迁移电极，检测电极即第一检测电极和第二检测电极之间的气流通道是检测区，检测电路置有直流电压源和皮安表；进气样品在抽气系统作用之下依次通过离化区、迁移区、检测区，进气样品先在离化区被离化，成为低温等离子体，然后成等离子体进入迁移区，其中的非待测物离子在迁移电压作用下被过滤掉，只有待测物离子随气流进入检测区，在检测电压作用下流向检测电极即第一检测电极和第二检测电极形成电流，被检测电路中的皮安表检测到。
作为对现有技术的进一步改进，阻挡介质硼硅玻璃即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃处于离化电极即第一离化电极和第二离化电极之间的部分能够加工成柱状、尖端状；离化电极即第一离化电极和第二离化电极形状包括梳状、网格状、正方形、圆形，第一离化电极和第二离化电极间的距离以及离化区大小都能够进行改变；离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极、迁移电极、迁移检测屏蔽电极都接地，离化电极、离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极、迁移电极、迁移检测屏蔽电极、检测电极的电极材料为在空气中化学性质稳定的金属材料钛、金或者铂；离化迁移外屏蔽电极即第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极与迁移检测屏蔽电极即第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极能够做成一个电极，即第一离化迁移外屏蔽电极和第一迁移检测屏蔽电极能够做成一个电极，第二离化迁移外屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极能够做成一个电极；离化区迁移区间隙，因屏蔽电极的作用能够做的很小，在Y方向上的尺寸能够缩小五倍。
本发明的有益效果在现有技术中的不足之处是首先离化源的放电区很小造成局部等离子体的浓度过大，而等离子体复合速度是跟浓度的二次方成正比的，这对装置的检测灵敏度是不利的；其次这种离化源的离化区气流通道远小于高场不对称离子迁移管的气流通道，这样会导致离子迁移管里气流存在纵向运动，而离子迁移管起作用就是靠离子的纵向运动，显然这种离化装置会影响到的稳定性和灵敏度；再次离化源的离化电压一般在几千伏以上，其在迁移电极上的感应电压会对等离子体在离子迁移管内的运动造成很大的影响，这也会影响离子迁移管的灵敏度和稳定性；另外这种离化装置存在较复杂的微结构，会给制作和集成带来困难。
本发明中的一种纵向高场不对称波形离子迁移谱装置，包括介质阻挡放电离化源、离子迁移管、屏蔽电极、检测仪、抽气系统，介质阻挡放电离化源包括阻挡介质，即硼硅玻璃以及镀于硼硅玻璃上的离化电极和离化电路，屏蔽电极置有分别平行镀于硼硅玻璃上的离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极和迁移检测屏蔽电极。离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极作用是减小离化源和迁移管之间的相互干扰，迁移检测屏蔽电极作用是减小迁移电极对检测电极的干扰.进气样品在抽气系统作用之下依次通过离化区、迁移区、检测区，先在离化区被离化，成为低温等离子体，然后成等离子体进入迁移区，其中的非待测物离子在迁移电压作用下被过滤掉，只有待测物离子随气流进入检测区，在检测电压作用下流向检测电极形成电流，被检测电路中的皮安表检测到。
由此可知，本发明的有益效果是其一，本发明将离化电极、阻挡介质、屏蔽电极、迁移电极、检测电极都集成于两片相对的硼硅玻璃上，实现了离化源、离子迁移管、检测仪的一体化，使得纵向高场不对称波形离子迁移谱装置具有独立工作的能力，实现了纵向高场不对称波形离子迁移谱装置的小型化和集成化。
其二，本发明的离化源为介质阻挡放电离化源，离化效率高、离化区域大，能够提供高浓度的等离子体；离化源的离化区纵向上不存在大的凸起，也就是说气流通过离化区不会存在纵向上的运动，从而对离子在迁移区内的纵向运动不会造成影响。
其三，本发明的屏蔽电极用于消除离化区、迁移区、检测区之间电场的相互影响，尤其是离化区和迁移区之间的相互影响，在相同的条件下，加上屏蔽电极以后的离化区对迁移区的影响会减少100倍以上，到达可以忽略的程度。同时，屏蔽电极的增加使得离化区和迁移区之间的间隙可以尽量缩短，这样能够减少等离子体的复合时间，增大到达迁移区的等离子体浓度，从而提高了离子迁移管的灵敏度。
其四，本发明因集成离化源和屏蔽电极的作用，使得通过离子迁移管到达检测区的离子数较外接离化源的高，从而对检测装置要求较低，可以用皮安表直接检测。
其五，本发明装置制作工艺主要包括离化源的制作和屏蔽电极的制作，离化源主要参数包括离化电极形状、离化电极间距、离化区大小、介质厚度、介质形状，屏蔽电极的主要参数包括屏蔽电极的大小和位置，实现这些参数的制作工艺包括硼硅玻璃的腐蚀、硼硅玻璃上的电极的蒸镀、硼硅玻璃的键合，因为不存在复杂的微结构，所以制作工艺都较简单。
图1A为本发明装置的结构侧面示意图。
图1B为本发明装置的结构俯视示意图。
图2A为离化源的梳状离化电极示意图。
图2B为离化源的网格状离化电极示意图。
图3为改变离化源离化区域大小的示意图。
图4A为增大离化源离化电极间距示意图。
图4B为减小离化源离化电极间距示意图。
图5A为离化源柱状阻挡介质示意图。
图5B为离化源尖端阻挡介质示意图。
图6A为气流通道内存在Z方向凸起时的气流运动示意图。
图6B为离化区迁移区间隙气流通道的一种实施方案示意图。
图7为离子迁移管工作原理图。
图8为屏蔽电极的屏蔽效果比较图。
图9为检测仪结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步解释图1A为本发明装置的结构侧面示意图。在图1中1是硼硅玻璃，包括第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃；2是离化电极，包括第一离化电极和第二离化电极；3是离化迁移内屏蔽电极，包括第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极；4是离化迁移外屏蔽电极，包括第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极；5是迁移电极，包括第一迁移电极和第二迁移电极；6是迁移检测屏蔽电极，包括第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极；7是检测电极，包括第一检测电极和第二检测电极；8是气泵；9是出气口；10是端硅条，包括第一端硅条和第二端硅条；11是检测区；12是检测电路；13是迁移电路；14是迁移区；15是离化区迁移区间隙；16是离化电路；17是离化区；18是进气口；19是进气样品；20是气流通道；21是侧硅条，包括第一侧硅条和第二侧硅条。
图1A中的纵向高场不对称波形离子迁移谱装置，包括介质阻挡放电离化源、离子迁移管、屏蔽电极、检测仪、抽气系统。
介质阻挡放电离化源包括阻挡介质硼硅玻璃1上直接镀有的离化电极2和离化电路16；离子迁移管置有迁移电极5和迁移电路13；屏蔽电极包括分别平行镀于硼硅玻璃1上的离化迁移内屏蔽电极3、离化迁移外屏蔽电极4和迁移检测屏蔽电极6；检测仪置有检测电极7和检测电路12，检测电路12置有直流电压源和皮安表；抽气系统置有气泵8、出气口9、进气口18和由硼硅玻璃1与硅条组成的矩形气流通道20，硅条即端硅条10和侧硅条21，其中端硅条10包括第一端硅条和第二端硅条，侧硅条21包括第一侧硅条和第二侧硅条，气流通道20包含迁移区14、离化区17、检测区11和离化区迁移区间隙15，离化区迁移区间隙15介于迁移区14和离化区17之间；进气样品19在抽气系统作用之下依次通过离化区17、迁移区14、检测区11，进气样品19先在离化区17被离化，成为低温等离子体，然后成等离子体进入迁移区14，其中的非待测物离子在迁移电压作用下被过滤掉，只有待测物离子随气流进入检测区11，在检测电压作用下流向检测电极7形成电流，被检测电路12中的皮安表检测到。
硼硅玻璃1包括装置上面的第一硼硅玻璃和装置下面的第二硼硅玻璃，其中第一硼硅玻璃置有进气孔18和出气孔9。硼硅玻璃1中的第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃由端硅条10中的第一端硅条和第二端硅条与侧硅条21中的第一侧硅条和第二侧硅条支撑，利用键合技术键合组合成一个矩形，端硅条10和侧硅条21可以氧化也可以不氧化。气流由进气口18进入，出气口9排出，本发明装置所用的气泵8为微型泵，体积小、功率约几瓦。
本发明的离化源的离化方式为介质阻挡放电，而位于离化电极2间的硼硅玻璃1是阻挡介质，位于其中的气流通道20即为放电区，本发明装置采用的放电为高频脉冲放电，频率为M的量级，脉冲周期为ms量级，放电功率约为几瓦。
作为一种实施方案，硼硅玻璃1也可以被其它的具有高介电常数、容易加工、价格低廉的材料替代；端硅条10和侧硅条21键合而成的矩形可以由硅条直接裁减而成，这样做密封程度更高，但是工艺较复杂。
图1B为本发明装置的结构俯视示意图。在图1B中，能够更加清楚的看到装置整体的结构，离化电极2、离化迁移外屏蔽电极4、迁移检测屏蔽电极6位于装置的外表面，而离化迁移内屏蔽电极3，迁移电极5，检测电极7位于装置内表面。
屏蔽电极包括离化迁移内屏蔽电极3即第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极4即第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极、迁移检测屏蔽电极6即第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极。屏蔽电极的宽度宽于其它的电极，使用屏蔽电极目的是为了减小离化电极2即第一离化电极和第二离化电极、迁移电极5即第一迁移电极和第二迁移电极、检测电极7即第一检测电极和第二检测电极之间的相互影响，所有的屏蔽电极都接地。
进气口18是硼硅玻璃1的第一硼硅玻璃上的小孔，直径约5mm；硼硅玻璃1的厚度为0.8mm，硼硅玻璃1的长度可取6～9cm，硼硅玻璃1宽度可取2～4cm；气流通道20高度，即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃之间的间距可取0.3～0.8mm；气流通道20的宽度可取1.5～3cm；离化电极2、迁移电极5、检测电极7的宽度可取0.7～1.5cm；屏蔽电极比其它电极宽约2～4mm；迁移电极5长可取2～4cm；离化区迁移区间隙15可取1～5mm。
进气样品19在通过进气口18后进入离化区17被离化。高频功率发生器16在离化电极2上加一个高频脉冲电压，电压频率在M的量级，脉冲周期为ms量级，电压幅值在4000V以上，改变电压频率、脉冲周期和电压可以控制放电功率。
离化源的放电均匀度、离化效率、放电功率等还跟离化电极2的形状、间距，阻挡介质形状、厚度，离化区17大小等有关。
图2A为离化源的梳状离化电极示意图。图2B为离化源的网格状离化电极示意图。
离化电极的形状跟放电均匀程度有关，在本发明中，作为一种实施方案，离化电极2可以做成梳装或者网格状，而这样的离化电极制作工艺简单。
图3为改变离化源离化区域大小的示意图。
放电区域的大小跟等离子体的均匀程度有关，在本发明中，作为一种实施方案，可对阻挡介质内侧进行腐蚀从而增加离化区17的大小，而在硼硅玻璃1内侧腐蚀一个特定形状的坑是很简单的。
图4A为增大离化源离化电极间距示意图。图4B为减小离化源离化电极间距示意图。
离化电极2的间距跟离化区17内的场强大小和分布有关，而场强的大小和分布跟放电功率和放电均匀程度有关。在本发明中，作为一种实施方案，通过增加或者减少介质的厚度就可以改变离化电极2的间距，增加介质厚度只需在硼硅玻璃1上的特定区域键合一个硼硅玻璃，再在此玻璃上制作离化电极，所键合的硼硅玻璃厚度视需要而定，而减少介质厚度只需在特定区域腐蚀一个坑，坑的深度也是视需要而定，然后在这个坑内制作离化电极，这些工艺都不复杂。
图5A为离化源柱状阻挡介质示意图。图5B为离化源尖端阻挡介质示意图。
介质的形状跟离化区17内的电场分布有关，而电场分布跟放电功率和放电均匀程度有关。在本发明中，作为一种实施方案，可将阻挡介质的形状制作成柱状或者尖端状，而这些只需要在硼硅玻璃1与处于离化电极2之间的部分进行腐蚀即可。
图6A为气流通道内存在Z方向凸起时的气流运动示意图。图6B为离化区迁移区间隙气流通道的一种实施方案示意图。
本发明的离化电极2和迁移区14的间距很小约3mm，这样做的目的是为了减少离子复合时间，在大气条件下，介质阻挡放电离化源所产生的等离子体在10ms内即可复合殆尽，因此要尽量缩短复合时间。提高气流速度是一个选择，但是气流速度的提高会增加迁移电极5的长度，而这对微型化是不利的。作为一种实施方案，减小离化区迁移区间隙15的截面积可以减少离子通过的时间。
减小离化区迁移区间隙15的截面积可以通过减小Y方向或者Z方向的长度来达到。若减小Z方向的通道长度，则气流通道Z方向内必定存在大的凸起，图6A为气流通道内存在上下凸起时的气流运动示意图，这会使得气流在迁移区14里的运动有纵向分量，而置有迁移电极5和迁移电路13的离子迁移管工作原理就是靠离子的纵向运动，这显然会影响到离子迁移管的灵敏度和稳定性。
作为一个实施方案，可以减小离化区迁移区间隙15在Y方向的宽度，如图6B。气流从离化区17流向迁移区14，在离化区迁移区间隙15制作一个Y方向弧状凸起阻挡气流以提高气流在离化区迁移区间隙15内的流动速度。本发明的气流通道20截面积很小，能容忍很高的气流速度而不至于产生紊流，而Y方向上的凸起并不会改变气流在Z方向上的运动，因此不会影响到离子在迁移区14内的Z方向运动，即不会影响到离子迁移管的稳定性和灵敏度。
图7为离子迁移管工作原理图。
22是加在迁移区14内的交变电场，23是三种不同物质A、B、C在不同电场作用下的离子迁移率变化示意图。
从离化区17出来的离子，经过离化区迁移区间隙15在迁移区14内被分离。在迁移电极5即第一迁移电极和第二迁移电极上加一非对称交频电压，由高频信号发生器产生，此交频电压在迁移区14产生一个非对称交频电场，电场的高场约10000～20000V/cm，低场200～2000V/cm，频率在M的量级，高场和低场的占空比可变，电压的波形可以是方波，也可以是几个不同的交频信号的叠加。
不同的离子具有不同的迁移率，即便是在低场下迁移率相近，在高电场时也会有很大的区别，如图7右上的23所示，在高电场时，迁移率不再是定值，而是一个随电场变化的量，并且是非线性的，在迁移电极5上加一个非对称交频电压以在迁移区14内产生一个合适的低场Emin和高场Emax，在非对称交变电场作用下，离子在迁移区14内的运动是X方向上的平动和Z方向的振动，若离子在Z方向上的振动上下振幅相同则通过迁移区14，若不相同则离子会到达迁移电极5即第一迁移电极和第二迁移电极而被中和，通过迁移区14的离子在检测区11被检测到。若在迁移电极5上再加一个直流扫描偏压，每一种待检测离子在一定的扫描偏压都可以下通过迁移区14，这些不同的扫描偏压就对应了不同的离子。
图8为屏蔽电极的屏蔽效果比较图。
离化迁移内屏蔽电极3和离化迁移外屏蔽电极4用于消除离化电极2的高电压在迁移区14内产生的电场对离子运动的影响。为了更清晰的反映屏蔽效果，取特定条件下的一组实验所得到的结果作比较。
在实验里，各参数如下取离化迁移内屏蔽电极3和离化迁移外屏蔽电极4在X方向上覆盖离化区迁移区间隙15的2/3、覆盖迁移区14的1/3，离化电极2取为1cm×1cm的正方形，迁移电极5取为2cm×1cm的矩形，其中X方向上为2cm，Y方向上为1cm，离化迁移内屏蔽电极3和离化迁移外屏蔽电极4在Y方向上宽度大于离化电极2和迁移电极5的2mm，取离化电极2的电压峰值5000V。在这些条件下，比较离化区迁移区间隙15在X方向上不同的大小来反映屏蔽的效果。
图8横轴是离化区迁移区间隙15在X方向上的大小，纵轴是离化电压在迁移区14上的感应电场，为了作图的方便，纵轴上的数据都取了自然对数。离化电极2和迁移电极5间距分别1.5mm、2.4mm、3.0mm，在没有屏蔽的时候，迁移区内的感应电场分别为700V/cm、212V/cm、167V/cm，而在迁移区14起分离作用的不对称电场的低场约200～1500V/cm，显然会有很大的影响，在加了离化迁移外屏蔽电极4以后，感应电场分别为18.2V/cm、4.4V/cm、3.6V/cm，降到了原来的约1/50，若加入离化迁移内屏蔽电极3，则进一步降低，感应电场将分别为4.5V/cm、1.5V/cm、1.1V/cm，影响降低到以前的约1/150，如此低的感应电场对迁移区14里的离子运动的影响可以忽略。
待检测离子通过迁移区14以后，进入检测区11，在迁移区14和检测区11之间制作迁移检测屏蔽电极6，其目是消除迁移电极5上所加的迁移电压对检测区11内离子运动的影响，迁移检测屏蔽电极6接地。
图9为检测仪结构示意图。
24是直流电压源，25是皮安表。
当待测离子通过检测区11，在直流电压源24的作用下将到达检测电极7，这样就在检测电路12里产生电流，从而被皮安表25检测到。
在外接离化源的装置中，因为离子复合时间很长而导致等离子体浓度减小，从而到达检测区11的离子数很少，因此需要电荷放大装置。在本发明中，离化源所产生的等离子体浓度大，最重要的是离子复合时间短，使得到达检测区11的离子数较多，从而可以直接用皮安表25检测到。
权利要求
1.一种纵向高场不对称波形离子迁移谱仪，包括介质阻挡放电离化源、离子迁移管、屏蔽电极、检测仪、抽气系统，所述的离子迁移管置有迁移电极(5)和迁移电路(13)，所述的迁移电极(5)包括第一迁移电极和第二迁移电极是直接镀于硼硅玻璃(1)即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃内侧的长条状金属薄层，所述的迁移区(14)是迁移电极(5)即第一迁移电极和第二迁移电极之间的气流通道(20)，所述的迁移电路(13)能够为迁移电极(5)中的第一迁移电极和第二迁移电极提供一个迁移电压；所述的抽气系统置有气泵(8)、出气口(9)、进气口(18)和由硼硅玻璃(1)即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃与硅条组成的矩形气流通道(20)，所述的气流通道(20)包含迁移区(14)、离化区(17)、检测区(11)和离化区迁移区间隙(15)，所述的离化区迁移区间隙(15)介于迁移区(14)和离化区(17)之间，所述的硅条包括端硅条(10)，即第一端硅条和第二端硅条，侧硅条(21)即第一侧硅条和第二侧硅条，四条硅条呈矩形地被夹于硼硅玻璃(1)中的第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃之间且与硼硅玻璃(1)中的第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃键合成一个密封的长方体空腔，其特征在于所述的介质阻挡放电离化源包括阻挡介质，即硼硅玻璃(1)以及镀于硼硅玻璃(1)上的离化电极(2)和离化电路(16)，所述的硼硅玻璃(1)包括第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃，所述的离化电极(2)包括第一离化电极和第二离化电极，第一离化电极和第二离化电极之间的气流通道是离化区(17)，所述的离化电路(16)为离化电极(2)提供高频脉冲高压；所述的屏蔽电极置有分别平行镀于硼硅玻璃(1)上即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃上的离化迁移内屏蔽电极(3)、离化迁移外屏蔽电极(4)和迁移检测屏蔽电极(6)，所述的离化迁移内屏蔽电极(3)的形状是矩形且包括第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极，所述的离化迁移外屏蔽电极(4)包括第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极，所述的迁移检测屏蔽电极(6)包括第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极，其中离化迁移外屏蔽电极(4)中的第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极与迁移检测屏蔽电极(6)中的第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极镀于硼硅玻璃(1)即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃的外侧，离化迁移内屏蔽电极(3)中的第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极镀于硼硅玻璃(1)即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃的内侧；所述的离化迁移内屏蔽电极(3)即第一离化迁移内屏蔽电极和第二离化迁移内屏蔽电极在X方向上覆盖了离化区迁移区间隙(15)的大部分；所述的离化迁移外屏蔽电极(4)即第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电极在X方向上覆盖了离化区迁移区间隙(15)大部分和迁移电极(5)即第一迁移电极和第二迁移电极的小部分；迁移检测屏蔽电极(6)即第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极在X方向上覆盖了迁移电极(5)即第一迁移电极和第二迁移电极的小部分和检测电极(7)即第一检测电极和第二检测电极的大部分；所述的检测仪置有检测电极(7)和检测电路(12)，所述的检测电极(7)包括第一检测电极和第二检测电极，是镀于硼硅玻璃(1)即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃外侧的矩形金属薄层，在Y方向上的尺度等于或者小于迁移电极(5)，检测电极(7)即第一检测电极和第二检测电极之间的气流通道是检测区(11)，所述的检测电路(12)置有直流电压源和皮安表；进气样品(19)在抽气系统作用之下依次通过离化区(17)、迁移区(14)、检测区(11)，所述的进气样品(19)先在离化区(17)被离化，成为低温等离子体，然后成等离子体进入迁移区(14)，其中的非待测物离子在迁移电压作用下被过滤掉，只有待测物离子随气流进入检测区(11)，在检测电压作用下流向检测电极(7)即第一检测电极和第二检测电极形成电流，被检测电路(12)中的皮安表检测到。
2.根据权利要求1所述的一种高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是所述的阻挡介质硼硅玻璃(1)即第一硼硅玻璃和第二硼硅玻璃处于离化电极(2)即第一离化电极和第二离化电极之间的部分能够加工成柱状、尖端状。
3.根据权利要求1所述的一种纵向高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是所述的离化电极(2)即第一离化电极和第二离化电极形状包括梳状、网格状、正方形、圆形，第一离化电极和第二离化电极间的距离以及离化区(17)大小都能够进行改变。
4.根据权利要求1所述的一种纵向高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是所述的离化电极(2)、离化迁移内屏蔽电极(3)、离化迁移外屏蔽电极(4)、迁移电极(5)、迁移检测屏蔽电极(6)、检测电极(7)的电极材料为在空气中化学性质稳定的金属材料如钛、金或者铂，其中离化迁移内屏蔽电极(3)、离化迁移外屏蔽电极(4)、迁移电极(5)、迁移检测屏蔽电极(6)接地。
5.根据权利要求1所述的一种纵向高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是所述的离化迁移外屏蔽电极(4)即第一离化迁移外屏蔽电极和第二离化迁移外屏蔽电与迁移检测屏蔽电极(6)即第一迁移检测屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极能够做成一个电极，即镀于第一硼硅玻璃的第一离化迁移外屏蔽电极和第一迁移检测屏蔽电极能够做成一个电极，镀于第二硼硅玻璃的第二离化迁移外屏蔽电极和第二迁移检测屏蔽电极能够做成一个电极。
6.根据权利要求1所述的一种纵向高场不对称波形离子迁移谱仪，其特征是所述的离化区迁移区间隙(15)，因屏蔽电极的作用能够做的很小，在Y方向上的尺寸能够缩小五倍。
全文摘要
本发明公开了纵向高场不对称波形离子迁移谱装置，包括介质阻挡放电离化源、屏蔽电极、检测仪。介质阻挡放电离化源包括阻挡介质，即硼硅玻璃及镀于硼硅玻璃上的离化电极和离化电路，屏蔽电极置有分别平行镀于硼硅玻璃上的离化迁移内屏蔽电极、离化迁移外屏蔽电极和迁移检测屏蔽电极。进气样品通过介质阻挡放电离化源被离化、然后进入离子迁移管被分离、最后到达检测仪被检测到。本发明通过集成高离化率的离化源，通过改变装置结构以缩短离子复合时间，使得到达检测区的离子数大幅度增加，并比较容易地被检测到，提高了装置的灵敏度，另一方面通过使用屏蔽电极消除了介质阻挡放电离化源、离子迁移管、检测仪之间的相互影响，提高了装置的稳定性。
文档编号H01J49/40GK101067616SQ20071002332
公开日2007年11月7日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者陈池来, 孔德义, 林丙涛, 朱荣华 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院