专利名称：用于检测与鉴别气体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于鉴别气体的方法和根据权利 要求11的前序部分的相关设备。用于检测和鉴别气体的所述方法及相关的设备对化合物的检测和鉴别、尤其是爆 炸性的和/或有毒害的物质或物质混合物在非常低的浓度下的检测是有用的。
背景技术：
对于爆炸性的和/或有毒害的化合物的检测和鉴别需要达到ppt-ppb范围数量 级的检测方法。为了检测和确认这些化学物质，通常使用光谱仪。常用的是离子迁移谱仪 (IMS, Ion Mobility Spectrometer)，也称为等离子体色谱法，因为它们不像质谱仪等其它 光谱仪，对产生的化学物质或化合物的检测需要真空泵。因此，由于它们的结构简单且价格 低廉，使IMS优于其它光谱仪。IMS的应用范围非常广泛。从医疗领域，例如检测病人呼出的空气以监测产生的 量、到例如咖啡烘焙厂的质量控制、到军事领域，例如检测战争中用到的试剂。IMS及其应 用可以参阅例如 G. .A. Eiceman 和 Z. Karpas 的 “ IonMobilitySpectrometry (离子迁移谱 仪)”(第二版，CRC，Boca Raton, 2005 年)。对于IMS的功能结构已经被多次公开。例如US 3621240公开了一个经典的飞行时间离子迁移谱仪(Flugzeit-IMS)的例 子，其中利用了离子在大气压力中的不同的迁移率，离子源通过可连续放射性辐射、光电离 或电晕放电将目标化合物离子化，并频繁地使用放射源直接电离空气分子，这些电离的空 气分子进一步与水分子发生反应，形成所谓的反应物离子。这些反应物离子通过质子转移 反应与电子转移反应或质子提取反应与某些化合物反应形成所谓的产物离子。这些产物离 子借助于电网在约200微秒的很短的时间内进入漂移管，漂移管中有电场，使漂移气体，通 常为周围空气压力下过滤的空气中的离子加速。通过改变电场的极性，可以检测到负离子 模式和正离子模式和正负离子的漂移路径。通过电场，进入漂移管的产物离子被不断加速， 与中性气体分子碰撞，漂移稳步放缓。电场对所有具有相同电荷的离子具有同样的拉力。 但是，由于产物离子具有不同的直径和形状，使产物离子具有不同的漂移速度。在漂移管末 端，产物离子以不同的漂移速度到达检测器。我们可以得出结论，对所研究的化合物，产物 离子通过不同的漂移管的飞行时间范围通常为5到30毫秒。在经典的Flugzeit-IMS中，用于测量漂移速度的启动脉冲通过电网的切换过程 提供，只允许离子中的一部分进入漂移区。通过与周围空气中的离子碰撞，造成进入漂移管 的离子扩大、扩散。因此，在检测器的测量信号呈现高斯钟形曲线的形式。从测量钟形曲线 的飞行时间或最大漂移时间和已知的漂移距离长度，可确定用于鉴别化学物质或化合物的 结果区间。通过漂移管的产物离子的飞行时间是与到检测器的产物离子的漂移速度成正比 的。相应的产物离子的漂移速度在电场加速和与中性气体分子碰撞减速的解决方案取决于
4离子质量，或离子大小和离子形状。产物离子在如E = 200V/cm的低场强E下的漂移速度Vd线性决定于电场强度。在 这些低场强下，产物离子的迁移率K与电场强度无关，并可以表示为K = Vd/E由于离子漂移速度也取决于漂移管的温度和压力，因此检测和鉴别化学化合物的 迁移率或产物离子的迁移率总是在标准条件即常温Ttl = 273K和一个大气压Ptl = 1013hPa 进行。降低或正常化的产物离子的迁移率可以表示为K0 = K · (Τ0/Τ) · (Ρ/Ρ0) = K · (273Κ/Τ) · (P/1013hPa)利用经典的Flugzeit-IMS的一个缺点是，只有产物离子的一小部分被用于化学 物质的检测和鉴别。因为电网的启动脉冲的时间与离子漂移时间相比很短，只有一小部分 产物离子穿过电网进入漂移管。电网关闭时，产物离子的大部分撞击电网，与电网中和。因此，通过增加离子的通过量结合具有阻隔电网的离子束的调制来增加产物离子 进入漂移管的量，可以增加化学物质或化合物的检测极限。例如，在DE19515270C2中建议 了离子束的调制，因此，借助例如阿达马或傅立叶变换的数学推导，可以计算IMS频谱。上述特征的IMS的缺点是仅能检测正或负离子，因此需要分离管极性的改变，从 而增加了测量时间。此外，一些有毒的工业化学品如苯不能通过放射源检测，因为该产物离 子和反应物离子同时作用于检测器。因此，例如从US 5420424、US 6495823或US 6504149可知微分迁移谱仪(DMS， Differential Mobility Spectrometer)或场非对称离子迁移谱仪(FAIMS，Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer)是由离子源、电极和检测器组成，其中，将来自 恒定气流的中性分子通过两个平行的电极而离子化。该电极可以是并行或轴对称内置， 在电极上交替设置高低电压，电场操作与经典的Flugzeit-IMS中垂直于离子的流动方向 不同。选择非对称的交流电压以便平均电压自身抵消。一种通过高场强的影响基于离子 迁移率的各种变化对离子进行分离的交流电压的说明如SU 966583中所述。根据Nach E.A.Mason 禾口 E. W. McDaniel 在"Transport Properties of Ions in Gases (气体中离子的 传输特性)”(Wiley出版社，纽约，1988年)，在非常高的场强如E > 5000V/cm下，迁移率不 再与电场强度无关。与传统的Flugzeit-IMS不同，在DMS中，利用离子的迁移率在低和高的电场强度 下的不同变化，通过不同离子的迁移率K(Eklein)和K(Egrass)的差别来分离离子。对不同的 化合物，离子的迁移率K(Eklein)和K(Egrass)的差别是不同的，所以，在DMS中，取决于物质性 质的离子迁移率可作为电场强度的函数来使用。在高场强下的离子漂移速度可表示为Vd = K (E) *E非恒定迁移或迁移率K(E)可以通过具有一系列多项式系数的多项式表示K (E) = K+k^E'+k^E4+......或表示为α (E)的函数K(E) = K* (1+α (E))它说明函数α (E)与电场作用的非线性相关性，这对不同的化学化合物有所不 同。例如，函数α (E)可能随场强的增加稳步增加、可能随场强的增加而减少、甚至可能最初随场强的增加而增加而在较高的场强下再减少。因此，根据化合物对场强的相关性，可将 化合物分为3类。A类离子的迁移率随场强增加而增加，C类离子的迁移率随场强增加而减 少，B类离子的迁移率最初随场强的增加而增加，之后在更高的场强下再减少。离子的迁移率随电场强度的增加而下降即C类离子是由于迁移率受温度的影响， 因为较高温度下碰撞的频率增加。离子的迁移率随电场强度的增加而增加即A类离子是由 于在高场强下离子尺寸的减小。分子离子M+总是在水分子包围下在环境压力下检测，从而 使它作为水分子团MH+(H2O)n而存在，通常有两到三个水分子附着在分子上。水分子只是弱 结合到分子离子上，因此，在非常高的场强下，由于水分子的漂移速度高使得一些化学化合 物发生分裂，从而降低了形状和质量，使得这些产物离子可以在漂移气体中快速通过。在较 低场强时，漂移气体中的水分子通过碰撞过程而再沉积到离子上。在非对称交流电压下，一个极性低电压比另一极性高电压会更长时间的影响离 子。如果离子与电场强度无关，可能不会发生偏移而直接进入检测器。但由于大多数化合 物与电场强度相关，使得作振荡运动的离子平均上发生偏移，使得如A类离子在高场强方 向上发生偏移。为了在离子检测器上显示这些离子，在载交流电压的电极上加一个直流电 压或偏转电压使离子可以到达检测器。通过直流电压也称为补偿电压的平稳的变化，只有 具有适当的α (E)值的一些离子通过。如果该补偿电压是以锯齿的形式应用，就产生其中 的X轴不是时间漂移而是施加的补偿电压的频谱。与传统的Flugzeit-IMS不同，DMS中离子的分离并非基于绝对迁移率，因为具有 不同迁移率的化合物并不取决于电场强度，即K(Eklein) = K(Egrass)，这些化合物并不能通过 非对称交变电场分离，因为平均上偏移相互抵消。由于在DMS中离子只能通过气流传输，正离子和负离子同时到达分隔的电场。如 果在检测器终端配置两个不同极性的检测器，则使用这些IMS、能同时检测正离子和负离子。在一个电极的平面平行结构中，电极之间的距离例如只有0. 5毫米，这样可施加 通常约1兆赫频率的Egrass = 20kV/cm和Eklein = lkV/cm场强的接近矩形的交流电压。在 这种结构中，补偿电压在几秒钟内从-15V增加至+10V。除补偿电压外，场强是可变的，即EgMSS值改变使离子分离优化，结果是有可能累积 一个采用补偿电压作为高场强函数和以彩色显示检测信号强度的所谓的分散图。使用DMS的一个缺点是检测不明化学品的测量时间长，因为需要对补偿电压和交 流电压幅值创建一个费时的变化来建立分散图。此外，如W02005/106450所示，DMS的精度 和诸如有机磷化合物的大离子的分离不如经典的Flugzeit-IMS。因此，在WO 2005/067582中提出将至少一个DMS与经典的Flugzeit-IMS耦合。在 一个典型实施例中，DMS和经典的Flugzeit-IMS平行配置于离子源的后面，其中，两个光谱 仪彼此独立运作。在另一个实施例中，是在DMS系统后面配置一个经典的Flugzeit-IMS或者两个平 行的经典的Flugzeit-IMS，后一实施例允许对DMS系统中存在的正、负离子同时检测。缺点是，这种DMS和经典的Flugzeit-IMS的组合在技术上非常复杂，特别是对后 一实施例中，必须配置和组合两个经典的Flugzeit-IMS和一个DMS。此外，测量时间过长， 不能立即检测待测化学混合物，因为作为第一分离系统的DMS至少需要补偿电压，这需要
6几秒钟到数分钟。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于开发出一种鉴别气体的通用方法及相应的设备，利 用确定物质所特有的迁移率以及作为电场强度函数的迁移率的变化，旨在以简单的结构而 即刻且同时鉴别待测的化合物。上述目的可通过方法权利要求1的特征部分和装置权利要求11的设备的特征部 分实现。适当实施例的结果来自从属权利要求2-10和从属权利要求12-20。本发明用于鉴别气体的新方法及相关设备消除了前述的现有技术的缺点。采用本 发明鉴别气体的新方法的优点是，每个离子化分子都有由产生的电场引起的漂移速度，该 漂移速度部分地增加或减小，其中，产生的电场为叠加了非对称交变电场的直流电场，非对 称交变电场引起的振荡运动在直流电场引起的离子化分子的运动方向上平行叠加。漂移速 度的变化，是由每个离子化分子在产生的电场中的恒定的漂移速度与振荡运动的叠加所产 生的。离子化分子漂移速度的增加或减少决定于分子的材料特性。每个离子化分子多次被 加速和减速，平均上取决于分子的材料性能，加速度大于或小于减速度。所述变化的离子化 分子的漂移速度被用来检测和区分这些离子化分子。根据这些离子化分子的运动，对通过 漂移区的漂移时间进行测量和评估。本发明进一步的优点是，每个离子化分子次被加速和减速，平均值上取决于分子 的材料特性，加速度大于或小于减速度。还可以将分子离子化成极性相反的正和/或负 离子，既可以利用不同工作模式的漂移区也可以使用两个极性相反的漂移管的组合进行鉴 别。为了测量漂移时间，离子化分子先是由产生的电场提供一个恒定的漂移速度。随后， 这些分子中的一部分加速和减速或者多次加速和减速，这样离子的飞行时间比没有交变 场的情况下长或者短。产生的电场是叠加了非对称交变电场的直流电场。不同于经典的 Flugzeit-IMS，通过进一步在漂移运动上叠加由非对称交变场引起的振荡运动，以便使在 经典的Flugzeit-IMS中由于其相同的迁移率不能分开的离子分开，因为它们在更高场强 下具有不同的迁移率。更优选的是，产生的电场为局部叠加了非对称交变电场的直流电场，该非对称交 变电场与该直流电场平行，使离子化分子沿着一个方向作漂流运动，并在该漂移运动上叠 加与该漂移运动方向平行的振荡运动。如果直流电场具有低电场强度而非对称交变电场具有高电场强度，这也是有利 的。非对称的交流电压通过非常高的场强造成的短时间影响，能够确保体现出不同的α (E) 和额外的加速和减速的相关性。如果非对称交流电压的幅值连续变化，且将由此产生的漂 移时间的变化，作为鉴别待测的化学物质或化合物的附加特征是有利的。为了评估测量得到的漂移时间及鉴别化合物，将测量得到的漂移时间与预先确定 的已知化合物的漂移时间进行比较，和/或采用数学或统计学方法例如基于规则的算法或 人工神经网络将测量得到的漂移时间与已知的化学物质和化合物的漂移时间进行比较，是 有利的。本发明进一步的优点是，离子化分子的漂移时间决定于作为场强的函数的迁移率 的变化，因为这些离子在通过由交流电压电极产生的高电场强度的电场与低电场强度的电场中的漂移区时具有不同的轨迹，故将在低的电场强度下具有相同迁移率的离子化分子的 漂移时间，与叠加了交流电压电极产生的高电场强度的非对称交变电场后的离子化分子的 漂移时间进行比较，并将测量的漂移时间与先前确定的漂移时间进行比较来鉴别化合物。本发明中用于鉴别气体的新装置的优点是至少一个漂移管的一端连接进气系 统，另一端连接检测器，在每个漂移管设置有开关电网，该开关电网将漂移管分为反应区和 漂移区，其中反应区配置有离子源，在漂移区中配置有屏蔽电网，在漂移管中围绕着漂移区 配置有多个直流电压电极和交流电压电极。本发明的优点是，在上述装置中再附加一个漂移管，该附加的漂移管的一段连接 进气系统，另一端连接附加的检测器，并且两个漂移管具有相反的极性，这样正负离子可以 在相应的漂移管中同时进行检测。本发明进一步的优点是，漂移管包含交替配置的金属环和绝缘环，其中每一个金 属环在漂移区周围电性连接，并形成相应的直流电压电极，漂移管由一个或多个低导电性 管构成。本发明进一步的优点是，在漂移管中漂移区的周围设置有几个由细金属丝电网组 成的交流电压电极，该交流电压电极沿着漂移区的长度方向分布，并横切穿过漂移区。另 外，本发明的优点是，在漂移管的漂移区配置至少一个辅助电极，这些辅助电极产生附加的 补偿电压，从而以不同方式影响离子化分子的漂移速度。进一步地，本发明特别的优势是，在上述装置中再附加一个漂移管，该漂移管的一 段连接进气系统，另一端连接额外的检测器，并且两个漂移管的极性相反。这样正负离子可 以在相应的漂移管中同时进行检测。本发明用于鉴别气体的新方法及相应的设备可采用不同的方式实现。将结合实施 例进行说明。
图1为漂移管的结构示意图；图2为在漂移管的纵向切面的电势分布的示意图；图3为在一个固定时间点漂移管中的电势分布的示意图；图4为漂移管中的离子的飞行轨迹的示意图；图5为没有交流电压时的谱图的示意图；图6为有交流电压时的谱图的示意图；图7为两个漂移管的示意图；及图8为具有辅助电极的漂移管的示意图。附图标记说明1漂移管2进气系统3检测器4开关电网5反应区6漂移区
7离子源
8屏蔽电网
9金属环
10绝缘环
11电极
12交流电压电极
13金属梳
14飞行轨迹
15飞行轨迹
16飞行时间的分布
17飞行时间的分布
18辅助电极
具体实施例方式如图1所示，实施例中的用于鉴别气体的新装置包括漂移管1，其一端连接进气系 统2，另一端连接检测器3，其结构为平面可导电的圆盘。在漂移管1中有一个电动的开关电网4，通过它将漂移管1中的内部空间分为反应 区5和漂移区6。反应区5连接进气系统2，漂移区6连接检测器3。此外，在反应区5中的 进气系统2附近配置有离子源7，在漂移区6中配置有屏蔽电网8，该屏蔽电网8位于检测 器3的前面，其中，离子源7覆盖有放射性的Ni63箔，屏蔽电网8用于提供电容解耦。开关 电网4被称为Bradbury-Nielsen电网，是由两个导电的金属梳13组成，其安装于横切漂移 管1的同一平面上，金属梳13稍有偏移，但彼此互不接触。漂移管1包括交替设置的金属环9和绝缘环10，每个金属环9通过电阻器电连接 相邻的金属环9，并因此构成直流电压电极11，在直流电压电极11上施加的电压应该保证， 可在反应区5和漂移区6中有一个恒定场强。进一步的，漂移管1的漂移区6中有几个由 细丝网架构成的交流电压电极12，交流电压电极12排列分布在漂移区6的长度方向上且横 切穿过漂移区6。根据第一实施例中的鉴别气体的新装置，待测化合物，包括周围空气通过进气系 统2进入到离子源7。进气系统2可以包括一个小型开口或用于移动系统的硅膜。离子源7主要是通过Ni63箔产生的放射性辐射，从周围空气中电离出空气分子。 通过与水分子进行二次反应，形成所谓的反应物离子。然后，这些反应物离子通过质子转移 反应、电子转移反应或质子提取反应，使该化合物的分子离子化，形成产物离子。该产物离 子通过直流电压电极11建立的电场从反应区5到达开关电网4。开关电网4有两个开关 状态。在第一开关状态，开关电网4是关闭的。开关电网4的两个金属梳13存在不同的电 势，金属梳13之间的电势差大概100V。由于金属梳13的这个电势差形成一个高电场强度， 离子无法通过。这样没有任何离子可以从反应区5到漂移区6中。在第二开关状态，开关 电网4是打开的。这时金属梳13之间的电位差在几微秒内消除，从而使开关电网4短时间 内打开使离子可通过，即从反应区5到达漂移区6。这种开关电网4在通常状态下关闭，在规定的时间短暂打开，此时其中的金属梳13之间的电位差被短暂消除。在开关电网4打开的状态下，来自反应区5的直流电压电极 11的电场将离子拉向漂移区6中的检测器3的方向。在进入检测器3之前，离子必须穿过 直流电压电极11和交流电压电极12的电场，这些电场对所有具有相同电荷的离子产生相 同的拉力。因为离子与中性气体分子的不断碰撞，所以离子在电场中的速度与离子质量相 关，或者说与离子的大小和形状相关。通过直流电压电极11产生了一个低场强的电场，将具有相同的直径和形状的离 子加速到相同的离子漂移速度，将不同直径和形状的离子加速到不同的漂移速度。同时在 漂移区6的一个区域内，由直流电压电极11产生的具有低场强的电场与同一坐标轴上交流 电压电极12产生的非对称交变场叠加，使得在交流电压电极12之间的离子承受了附加力。 因此，离子进一步减速或加速，使离子在交流电压电极12之间作振荡运动。因此，离子在漂移区6的运动为恒定的基本运动与在交流电压电极12之间的振荡 运动的叠加，通过振荡运动将具有不同α (E)值的离子区分开。同时说明了，对于不同的化 合物，α (E)值不同，并且与电场引起的加速度非线性相关。例如，α (E)值可能随场强的增 加而稳步增加，或随场强的增加而减小，甚至开始随场强的增加而增加而后又随高的场强 而减小。因此，根据化合物与场强的相关性，将化合物划分为三类，对A类离子，迁移率随场 强的增加而增加，对C类离子，迁移率随场强的增加而减小，对B类离子，其开始随场强的增 加而增加而后又随高的场强而减小。例如A类离子和C类离子的在漂移区6发生分离，是 基于A类离子和C类离子持续的基本的运动状态和振荡运动的不同，因为在非对称交变场 中A类离子加速，而C类离子减速。在漂移区6的末端离子遇到检测器3。该检测器3是法拉第-拦截器，其中在检测 器3的前面安装了屏蔽电网8，其用于在检测器3的前面对到达检测器3的离子进行电容解 華禹。检测器3的测量信号由图1中没有标出的评估单元进行评价，所述测量信号是由 开关电网4的打开时间、接触到检测器3上的离子和通过漂移区6的离子化分子的漂移时 间决定的。为了评估这些测量得到的漂移时间，将测量的漂移时间与以前确定的已知的化 学物质的漂移时间进行比较，具备相同漂移时间的离子化分子就可以确定具备相同的化学 结构。图2示出了如图1所示的漂移管1在一个固定的时间点的电势分布。显然，在交 流电压电极12处的电势明显增加，而在交流电压电极12之外的电势平稳下降。这表明在 本实施例中，交流电压电极12可能不能被定位在漂移管1的任意位置，在电势较低的地方 例如像在漂移区6的开始处，交流电场的电场强度过高，会导致没有离子能够到达检测器。图3以示例的形式示出了图1所示的漂移管1的电势分布，其中，电势和固定时间 点下漂移区6中离子的漂移位移χ相关。可以看出，图1所示的有五个交流电压电极12的 漂移管1中，第一、第三和第五个交流电压电极12施加的是交流电压，而第二和第四个交流 电压电极12上施加的是直流电压。图4以示例的形式示出了在漂移管1的两个相邻的交流电压电极12之间的漂移 区6中的离子的飞行轨迹，其中漂移区6中离子的漂移位移χ和时间t相关。飞行轨迹14 示出了具有高α (E)值的离子的飞行轨迹，飞行轨迹15示出了具有低α (E)值的离子的飞 行轨迹。从两个离子的飞行轨迹看出，在低场强时离子具有相同的迁移率K(Eklein),但是在高场强时具备不同的迁移率K(Egrass)。图中所绘垂直于场线的偏转是不存在的，仅仅是为了 更清楚的体现出运动轨迹。从图4可以看出，交流电压电极12使离子在自己的飞行方向上发生偏移，而离子 在交流电压电极12之前的区域并未分离，通过交流电压电极12的非对称交流电压的影 响，交流电压电极12使离子有了不同的飞行轨迹，这样，才可能使离子分离。这也表明，尽 管离子在低电场强度下具有相同的迁移率，但由于它们在高电场强度值下有不同的迁移率 α (E)，使得这些离子在较高的非对称交流电压下通过漂移区6时具有不同的通过时间，因 此在不同的时间到达检测器3。通过离子在漂移区6的飞行时间或钟形曲线的最大漂移时间以及已知的离子漂 移距离的长度，可确定离子的漂移速度。由于离子的飞行时间约为几毫秒，因此需要根据高 斯钟形曲线的第二频谱的多次测量的平均值来体现。在图5和图6中示出了在检测器3上 的测量到的信号的例子。在图5和图6中显示了检测器3记录的不同的谱图，图5示出了 施加了低压直流电压的交流电压电极12对应于相应的直流电压的谱图，图6示出了施加了 高场强的非对称交流电压的交流电压电极12的谱图。图5示出了在漂移管1的漂移区6的低场强的固定电场下的具有相同的迁移率的 离子的飞行时间的分布16、17。这些飞行时间的分布是相互重合的，导致当化合物的离子化 分子在低场强下具有相同的迁移率K (Eklein)，无法相互分离。图6示出了在低场强下具有相同的迁移率的离子在漂移管1的漂移区6中具有高 场强的非对称交流电压产生的电场的影响下的飞行时间的分布16和17。飞行时间的分布 16和17在这种情况下分离得很好，使得在低电场强度下具有相同的迁移率的化合物的离 子化分子可以成功分离。通过改变电极11的极性，可以将漂移管1设置为只有正离子在检测器3中进行检 测的正离子模式和只有负离子被检测的负离子模式。也可以想到，通过在一个较短的时间内先后改变电场的极性来检测正离子和负离 子。这种情况下可以通过在一定的时间间隔内改变施加到电极11上的电压的极性来反转 电极11之间的电场方向。也可考虑两个漂移管1的组合。参照图7，第一漂移管1的电极11之间的电场方 向与第二漂移管1的电极11之间的电场方向是相反的。通过这种两个极性相反的漂移管 1的组合能在一个漂移管1中同时检测正离子和负离子。在这个实施例的变化例的特别实施例中，也可以改变交流电压的幅值。这样能够 改变漂移时间，通过漂移时间的改变能够鉴别待测的化合物的附加特征。它可用于将测量 的漂移时间与已知化学元素和化合物在有交流电压幅值变化和无交流电压幅值变化时预 先确定的漂移时间进行比较。还可以想到，图1所示的具有5个交流电压电极12的漂移管1可以改变交流电压 电极12的数量，和/或改变施加在交流电压电极12上的交流电压。也可以想到，对于圆柱形的漂移管1可以采用任何其他合适形状，如横截面为矩 形，进行替换。此外，可以想象，漂移管不仅可以采用按照前述的金属环材料和绝缘体材料交替 的构造也可以使用低导电的均质材料代替。导电玻璃、陶瓷或塑料可以被采用，还可以是涂
11有导电层的电绝缘结构。根据图8也可以想象，在漂移管1的漂移区6设置辅助电极18以产生更多的补偿 电压。这样，离子化分子便产生一个额外的漂移时间的变化，这个变化可以应用于对待测的 化学元素或化合物的附加特征的鉴别。也可以想象，离子源7由其他合适的转化过程的工艺所取代。例如可以通过光电 离或者电晕放电来产生离子，而不是采用放射性射线得到离子。由于开关电网4的脉冲启动相比于离子漂移时间非常小，因此大部分的离子并没 有被用于检测，因为这些离子化分子在电网关闭时被中和，可以采用已知的方法对离子产 量优化进而优化检测极限，例如可以通过增加开关电网4的离子通过量来确定。可以考虑 利用数学变换对开关电网4的开闭时间进行调节。例如利用阿达马或傅立叶变换，通过在 检测器3上测得的信号来计算飞行时间谱图。也可以通过附加反应气体，例如掺杂气体来优化漂移管1的选择性。这种反应气 体的化学反应，例如通过控制用于正离子的质子亲和力或用于负离子的电负性以影响本方 法的选择性。此外，漂移管1的选择性也可以被高场强时反应气体以及其它的电中性气体 在离子上的聚集和沉积过程所影响。此外，将漂移管1组合上其他传感器，或检测器，和/或进一步提高选择性的方法， 例如前置气相色谱仪，均属于可以考虑的方案。
1权利要求
一种用于鉴别气体的方法，其中电离所要辨识的气体，测量离子化分子通过漂移区(6)的漂移时间，然后对漂移时间进行评估，为测量漂移时间，通过产生的电场来加速离子化分子以作用于离子化分子的漂移速度，其特征在于，每个离子化分子都有由产生的电场引起的漂移速度，该漂移速度部分地增加或减少，其中，产生的电场为叠加了非对称交变电场的直流电场。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述漂移速度的变化是由每个离子化分子 在产生的电场中的恒定的漂移运动与振荡运动的叠加所产生的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子化分子为正和/或负离子。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，每个离子化分子多次被加速和 减速，平均上取决于分子的材料特性，加速度大于或小于减速度。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述产生的电场为局部叠加了 非对称交变电场的直流电场，该非对称交变电场与该直流电场平行，使离子化分子沿着一 个方向作漂移运动，并在该漂移运动上叠加与该漂移运动方向平行的振荡运动。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述直流电场具有低电场强度，所述非对称 交变电场具有高电场强度。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在测量漂移时间期间，非对称交变电场 的电压的幅值是变化的。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为鉴别化合物，将测量得到的漂移 时间与预先确定的已知化合物的漂移时间进行比较。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用数学或统计学方法，特别是采用基于规 则的算法或人工神经网络，将测量得到的漂移时间与已知化合物的漂移时间进行比较。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，将在低的电场强度下具有相同迁 移率的离子化分子的漂移时间，与叠加了交流电压电极(12)产生的高电场强度的非对称 交变电场后的离子化分子的漂移时间进行比较，并将测量的漂移时间与先前确定的漂移时 间进行比较来鉴别化合物。
11.一种用于鉴别气体的装置，包括进气系统(2)和至少一个检测器(3)，其特征在于， 至少一个漂移管(1)的一端连接进气系统(2)，另一端连接检测器(3)，在每一个漂移管(1) 中设置有开关电网(4)，该开关电网(4)将漂移管(1)分为反应区(5)和漂移区(6)，其中 反应区(5)配置有离子源(7)、在漂移区(6)中配置有屏蔽电网(8)，漂移管(1)包含围绕 着漂移区(6)的多个直流电压电极(11)和交流电压电极(12)。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括附加的漂移管(1)，该附 加的漂移管(1)的一端连接进气系统(2)，另一端连接附加的检测器(3)，漂移管(1)与附 加的漂移管(1)具有相反的极性。
13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述漂移管(1)包含交替配置的金 属环(9)和绝缘环(10)，其中每一个金属环(9)在漂移区(6)的周围电性连接，并形成相应 的直流电压电极(11)。
14.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述漂移管(1)由一个或多个低导 电性的管构成。
15.如权利要求11-14中任一项所述的装置，其特征在于，所述交流电压电极(12)沿着2漂移区(6)的长度方向分布，并包含横切穿过漂移区(6)的细金属丝电网。
16.如权利要求11-15中任一项所述的装置，其特征在于，所述开关电网(4)由两个在 同一平面上，横切穿过漂移管(1)的导电金属梳(13)构成，其中，金属梳(13)稍有偏移，彼 此互不接触。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述开关电网(4)有两种开关状态，即 在第一开关状态，开关电网(4)关闭，金属梳(13)在不同电势下，并且通过这种电势差形成高场强，阻止离子通过开关电网(4)；和在第二开关状态，开关电网(4)打开，金属梳(13)在相同电势下，无场强或形成的场强 较低，离子可以通过开关电网(4)。
18.如权利要求11-17中任一项所述的装置，其特征在于，在所述检测器(3)的前面设 置屏蔽电网(8)，该屏蔽电网(8)用于提供电容解耦。
19.如权利要求11-18中任一项所述的装置，其特征在于，在所述漂移管(1)的漂移区 (6)配置至少一个产生附加的补偿电压的辅助电极(18)。
20.如权利要求11-19中任一项所述的装置，其特征在于，所述漂移管(1)的漂移区 (6)至少包含三个交流电压电极(12)，漂移管⑴优选为圆柱形状。
全文摘要
本发明的目的是开发出一种用于鉴别气体的通用方法及相应设备，旨在以简单的设计而即刻且同时鉴别待测的化合物，并利用确定物质所特有的迁移率以及作为电场强度函数的迁移率的变化进行检测。每个离子化分子都有由产生的电场引起的漂移速度，漂移速度部分地增大或减小，产生的电场为叠加了非对称交变电场的直流电场，以此达到本发明的目的。用于气体的检测和鉴别的所述方法及相关的设备对化合物的检测和鉴别、尤其是爆炸性的和/或有毒害的物质或物质混合物在非常低的浓度下的检测是有用的。
文档编号H01J49/40GK101918827SQ200980102531
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年1月19日
发明者A·瓦尔特, B·翁格蒂姆, W·明赫迈尔 申请人:气体感觉分析有限责任公司