离子接收极的制作方法

本发明属于离子漂移谱鉴定领域，涉及离子漂移谱鉴定过程中的离子接收极结构。

背景技术：

离子迁移谱(ionmobilityspectrometry,ims)是一种根据离子的迁移率对物质进行鉴定的技术。迁移率是离子的一种属性，在相同的漂移环境下，不同的离子具有不同的迁移率，经过固定长度和场强的漂移区后，不同的离子将先后到达离子接收极，进而得到分离。

在ims仪器中，离子在漂移区电场和相向而来漂移气的共同作用下运动，因此漂移区稳定的气流，是实现物质鉴定的基础与前提。漂移气从漂移管的末端在流量计的精确控制下进入漂移管，如图1所示。离子接收极位于漂移管后端是一种将离子入射转化为电信号的装置，传统上，离子接收极是一块被称作法拉第盘的实心金属圆盘。漂移气从进气口进入漂移管后，由于离子接收极的阻挡，漂移气从离子接收极与漂移管壁之间的空隙进入漂移区，离子接收极变成了漂移气气路中的一块屏障，离子接收极右侧形成了一块低压区，这造成了离子接收极附近气流的不稳定。

vautzw等在文献vautzw,sielemanns,baumbachji.3dgasflowsimulationasatoolforthecharacterisationandoptimisationofionmobilityspectrometers[j].intjionmobilspectrom,2004,7:19-24.中指出，当漂移气的流量较小时，漂移区的气体近乎稳定，当漂移气流量增大时，在接收极附近出现了明显的湍流，流量越大，湍流越明显，湍流的出现影响了仪器的灵敏度和分辨率；hli等在文献hanf,zhangh,pengl,etal.asimulationmodelstudyofthecoupledfieldintheimsdrifttube[j].internationaljournalforionmobilityspectrometry,2016,19(4):219-226；hanf,duy,chengs,etal.computationalfluiddynamics-montecarlomethodforcalculationoftheiontrajectoriesandapplicationsinionmobilityspectrometry[j].internationaljournalofmassspectrometry,2012,309:13-21.中指出，当流量大于600ml/min时，接收极附近出现明显的湍流，并影响分辨率；杨杰、曹树亚、郭成海等在文献离子迁移(ims)漂移管的多物理场模拟方法研究[j].现代科学仪器,2011(6):41-46.中通过仿真也同样发现了不稳定气流的存在。多位研究者指出了接收极会影响漂移区气流的稳定，进而导致ims仪器性能的降低，但目前尚未发现针对该不平稳气流的解决方案。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决离子接收极采用实心金属圆盘存在气流不稳定，进而导致ims仪器性能降低的问题，提供了一种离子接收极。

本发明所述离子接收极，包括左电极片、右电极片和导电圆环；左电极片和右电极片分别固接在导电圆环左右两侧；三者外径相等，且与漂移管的内径相等；

左电极片和右电极片平行相对设置，左电极片上密集均布多个第一离子孔，右电极片上密集均布多个第二离子孔，且左电极片上的多个第一离子孔与右电极片上的多个第二离子孔相互交错。

优选地，左电极片具有m行第一离子孔，且行间等距，列向对齐；右电极片具有n行第二离子孔，且行间等距，列向对齐。

优选地，左电极片上相邻两行孔之间的行距与右电极片上相邻两行孔之间的行距相等。

优选地，m行第一离子孔与n行第二离子孔行间交错排列，且|m-n|＝1。

优选地，第一离子孔和第二离子孔的孔径相等，行距大于或等于孔径。

本发明的有益效果：本发明所述离子接收极采用双层带孔结构代替了传统接收极的实心金属结构。在comsolmultiphysics中搭建气流仿真平台，分析不同进气流量下两种接收极对气流的影响。结果表明，本发明离子接收极能够有效的保证漂移区气流的稳定。，在进气流量为1000ml/min时，漂移管中轴线上不稳定气流范围较传统接收极减小了97％。

附图说明

图1是漂移气体的进气原理图；

图2是本发明所述离子接收极的立体结构示意图；

图3是本发明所述离子接收极的主视图；

图4是采用传统ims仪器在不同进气流量下漂移区中心截面上气体的速度分布，图(a)进气流量为200ml/min，(b)进气流量为500ml/min，(c)进气流量为800ml/min，(d)进气流量为1000ml/min；

图5是采用传统ims仪器仿真时的截线与截线上的速度分布图，(a)为y＝0截线，(b)为y＝0截线上的速度分布图，(c)为x＝20截线，(d)为x＝20截线上的速度分布图；

图6是采用本发明离子接收极的ims仪器在不同进气流量下漂移区中心截面上气体的速度分布，图(a)进气流量为200ml/min，(b)进气流量为500ml/min，(c)进气流量为800ml/min，(d)进气流量为1000ml/min；

图7是采用本发明离子接收极的ims仪器仿真时的截线上的速度分布图，(a)为y＝0截线上的速度分布图，(b)为x＝20截线上的速度分布图；

图8是本发明与传统离子接收极漂移区气体的速度对比图(入口流量为1000ml/min)；(a)为y＝0截线上的速度分布对比图，(b)为x＝20截线上的速度分布对比图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明所述离子接收极采用双层带孔结构代替了传统接收极的实心金属结构。在comsolmultiphysics中搭建气流仿真平台，分析不同进气流量下两种接收极对气流的影响。结果表明，新型离子接收极能够有效的保证漂移区气流的稳定。

本发明离子接收极由前后两块圆形金属极片构成，离子接收极直径与漂移管直径相等，这使得离子接收极与漂移管之间紧密相接，气体无法从二者之间的管径间隙通过。在每个极片上分布有密集的小孔，前后两层极片上的小孔彼此交错，小孔的存在可以使气流稳定通过，且小孔交错排列避免了离子透过第一层极片的小孔而不被检测的问题。两层极片之间由导电圆环相连连接，两层金属极片和导电圆环构成一个电势体，这样无论离子打到哪一层极片上，均可以被检测。

第一个实施例：采用传统离子接收极来模拟离子接收极与气流平稳性。

对于大多数ims仪器，漂移气入口位于漂移管的最末端，漂移气在流量计的精确控制下由该入口进入漂移管，为研究接收极对气流的影响，对ims仪器中的漂移区和接收极部分的气流进行仿真。漂移区和接收极的仿真参数如表1所示。

表1漂移区和接收极的仿真参数

当入口流量分别为200ml/min，500ml/min，800ml/min和1000ml/min时，气体在漂移区截面上的速度分布如图4所示，颜色表征气体的速度的梯度变化，颜色越深表征速度越大。气体进入漂移管后，由于离子接收极的阻碍，气体从接收极和漂移管之间的空隙进入漂移区。当流量较低时，接收极右侧漂移区的气流几乎是稳定的。当气体流量增大后，在接收极右侧有明显的不稳定气流出现，流量越大，该不稳定气流越明显，分布范围越广。

取y＝0mm的截线，即漂移管的中轴线位置，截线位置如图5(a)所示，截线上不同进气流量下的速度分布如图5(b)所示，当进气流量为200ml/min时，在接收极右侧气体速度从0cm/s开始逐渐增加，最终稳定在0.9cm/s，在此流量下，没有不稳定气流的出现。当气体流量增大，不稳定气流开始出现，所波及的范围不断增加，截线上的气流速度呈从0开始先升高再降低到0，而后再次升高并稳定的趋势。把从0开始升高再降低到0的区域称为气流不稳定区域，当进气流量为800ml/min时，不稳定气流的范围为15mm，当进气流量为1000ml/min时，不稳定范围扩大到了20mm。

离子接收极右侧5mm，即x＝20mm截线上的速度分布如图5(d)所示，当流量为200ml/min时，可以认为气流的分布是稳定的，而当流量增大时，在漂移管的管壁附近有明显的不稳定气流出现，当流量为1000ml/min时，气体速度从管壁的0cm/s骤升至7.5cm/s，而后降低，并在距管壁8mm处，稳定在0.8cm/s左右。

基于上述分析，可见流量增加，不稳定气流所涉及的范围不断增大，不稳定气流将影响ims仪器的分辨率和灵敏度，因此优化结构，稳定气流，是提高ims仪器性能的一种策略。

第二个实施例：采用本发明所述离子接收极来模拟离子接收极与气流平稳性。

本发明采用的双层带孔结构，可以在不漏检离子的基础上，保证气流的稳定。孔越密气流稳定效果越佳。设极板间距l＝1mm，极板厚度1mm，孔直径φ＝0.5mm，两行之间的孔间距d＝2mm，改变漂移气进气流量，得到了不同流量下漂移区的气流情况，如图5所示。随着进气流量的增大，漂移区气流速度不断增加，但即使在大进气流量下，接收极右侧的气流总体上仍然是稳定的。在接收极右侧的每一个小孔附近有一定的不稳定气流，但不稳定气流所波及的范围很小。

当入口流量分别为200ml/min，500ml/min，800ml/min和1000ml/min时，气体在漂移区截面上的速度分布如图6所示，颜色表征气体的速度的梯度变化，颜色越深表征速度越大。不同流量下y＝0mm截线上的速度分布分别如图7(a)所示，从接收极开始，气流速度从0开始逐渐增大，在3mm范围内，气流达到稳定值，流量小于1000ml/min时，没有不稳定气流出现，当流量为1000ml/min时，有极小范围的不稳定气流。x＝20mm截线上的速度分布如图7(b)所示，气体速度从管壁的0cm/s开始上升，在据管壁4mm左右速度达到稳定值，没有不稳定气流出现。

基于上述分析，可见本发明与传统离子接收极的差异：

当流量为1000ml/min时，两种接收极对气流速度分布的影响如图8所示，不稳定气流范围的数值对比如表2所示。图8(a)为漂移管中轴线即y＝0mm截线上的速度分布，新型离子接收极能够明显减小不稳定气流所涉及的区域，不稳定区域由20mm减小至0.6mm，降低了97％。x＝20mm截线上的速度对比如图8(b)所示，使用新型离子接收极避免了在漂移管壁附近所出现的驼峰状不稳定气流。

表2新型与传统接收极漂移区不稳定气流范围对比

本发明针对传统离子接收极影响漂移区气流稳定的问题，提出了一种双层带孔结构的新型离子接收极。通过仿真对比，本发明离子接收极能有效的避免在大进气流量下，传统离子接收极所造成的接收极后侧和漂移管壁附近所出现的不稳定气流。在进气流量为1000ml/min时，漂移管中轴线上不稳定气流范围降低了97％。漂移区气流的稳定可以提高仪器的分辨率和灵敏度，下一步将在实际ims仪器中评估新型离子接收极对仪器性能的影响。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。