БЛОК КОЛЛЕКТОРА ИОНОВ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/64 H01J49/26 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к спектрометрам дрейфовой ионной подвижности, предназначенным для обнаружения следовых количеств паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ.

Известен спектрометр для обнаружения паров органических веществ в воздухе [1], содержащий последовательно расположенные по направлению прокачки воздуха через спектрометр устройство для ионизации паров органических веществ в воздухе на основе радиоизотопного источника излучения, устройство для разделения ионов по параметрам дрейфовой подвижности ионов, образованное двумя коаксиальными цилиндрическими электродами, между которыми имеется зазор, и блок коллектора ионов, состоящий из коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.

Основными недостатками известного устройства являются низкая эффективность сбора ионов коллектором ионов и сильная зависимость эффективности сбора ионов как от величины ионного тока, так и от величины потока воздуха, прокачиваемого через спектрометр, то есть сложная и неоднозначная передаточная характеристика прибора в терминах "количество органических молекул на входе прибора - величина ионного тока коллектора".

Наиболее близким к заявленному изобретению является блок коллектора ионов спектрометра ионной подвижности [2], включающего последовательно расположенные вдоль аксиальной оси симметрии спектрометра источник ионов, например, с радиоизотопной, лазерной или поверхностной ионизацией органических молекул, устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, выполненное в виде дрейфового пространства, образованного зазором между внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D₁ внешнего и внешней цилиндрической частью поверхности диаметром D₃ внутреннего электрически изолированных электродов, и блок коллектора ионов, снабженный штуцером для прокачки воздуха внешним насосом через зазоры между электродами и каналы спектрометра, причем блок коллектора ионов включает последовательно расположенные электрически изолированную ионную линзу, корпус блока коллектора и устройство для сбора ионов, при этом ионная линза выполнена в виде аксиально-симметричного электрода, охватывающего с зазором внутренний электрод устройства для разделения ионов, имеет участок внутренней поверхности с диаметром, увеличивающимся вдоль оси спектрометра от значения D₁ до значения D₂>D₁, своим меньшим диаметром D₁ обращенный в сторону внешнего электрода устройства для разделения ионов и сопряженный через участок с цилиндрической поверхностью с внутренним диаметром D₁ и через электрический изолятор с внутренним диаметром D₁ с внутренней поверхностью внешнего электрода устройства для разделения ионов, а своим большим диаметром D₂ обращенный к корпусу блока коллектора и сопряженный по этому диаметру с внутренней цилиндрической частью поверхности корпуса блока коллектора диаметром D₂, при этом устройство для сбора ионов образовано расположенным в зазоре между корпусом блока коллектора и центральным электродом устройства для разделения ионов электрически изолированным аксиально-симметричным коллектором ионов, имеющим участок с цилиндрической поверхностью, а также расположенным между коллектором и внутренним электродом устройства для разделения ионов электрически изолированным аксиально-симметричным электродом для регулирования тока ионов, также имеющим участок с цилиндрической поверхностью, при этом цилиндрические поверхности коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов обращены в сторону ионной линзы, а коллектор ионов и электрод для регулирования тока ионов имеют каналы для пропуска потока воздуха, прокачиваемого через спектрометр внешним насосом.

Данный тип блока коллектора в какой-то мере позволяет устранить нелинейность зависимости передаточной характеристики спектрометра от величин тока ионов и потока воздуха, но только в узких диапазонах изменения величин тока ионов и потока воздуха, прокачиваемого через спектрометр [3].

В основу настоящего изобретения положена задача разработать конструкцию блока коллектора ионов спектрометра ионной подвижности, обеспечивающую высокую эффективность сбора ионов на выходе из устройства для разделения ионов, а также имеющую близкую к линейной передаточную характеристику в широком интервале изменения величин ионного тока и потока воздуха, прокачиваемого через спектрометр.

Это достигается тем, что внутренний электрод устройства для разделения ионов имеет участок поверхности с диаметром, уменьшающимся вдоль оси спектрометра в сторону корпуса блока коллектора от значения D₃ до значения D₄, при этом данный участок поверхности внутреннего электрода симметричен участку поверхности ионной линзы с увеличивающимся диаметром относительно цилиндрической поверхности диаметром (D₁+D₃)/2, больший диаметр этого участка поверхности внутреннего электрода сопряжен с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, а меньший диаметр этого участка поверхности обращен в сторону корпуса блока коллектора и сопряжен со второй цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, имеющей диаметр D₄, причем диаметр D₄ выбирают из соотношения (D₁+D₃)=(D₂+D₄), при этом плоскости сопряжения участка ионной линзы, имеющего переменный внутренний диаметр, с его цилиндрической частью внутренней поверхности и с цилиндрической частью внутренней поверхности корпуса блока коллектора ионов попарно совпадают с плоскостями сопряжения участка внутреннего электрода устройства для разделения ионов, имеющего переменный внешний диаметр, с цилиндрическими частями его поверхности, а величины зазоров между второй цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов и цилиндрической частью поверхности электрода для регулирования тока ионов, между цилиндрической частью поверхности электрода для регулирования тока ионов и цилиндрической частью поверхности коллектора ионов и между цилиндрической частью поверхности коллектора ионов и цилиндрической частью внутренней поверхностью корпуса блока коллектора равны.

Участок ионной линзы, имеющий переменный внутренний диаметр, выполнен в виде усеченного конуса, имеющего меньший диаметр D₁ и больший диаметр D₂, а участок внутреннего электрода устройства для разделения ионов, имеющий переменный внешний диаметр, выполнен в виде второго усеченного конуса, имеющего больший диаметр D₃ и меньший диаметр D₄.

Торцы цилиндрических поверхностей коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов, обращенные в сторону ионной линзы, смещены от плоскости сопряжения поверхности ионной линзы, имеющей переменный внутренний диаметр, и корпуса блока коллектора ионов в сторону штуцера для прокачки воздуха через спектрометр на расстояние (0,5÷1,5)·l, где l - величина зазора между цилиндрическими поверхностями коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.

Заявленная конструкция иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг.1 - общая схема спектрометра ионной подвижности в варианте с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов.

Фиг.2 - конструктивная схема заявляемого блока коллектора ионов спектрометра ионной подвижности.

Изображенное на Фиг.1 устройство включает следующие элементы:

1 - поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, 2 - подогреватель термоэмиттера, 3 - дополнительная (вторая) ионная линза на входе устройства для разделения ионов, 4 - изолятор, 5 - внешний электрод устройства для разделения ионов, 6 - внутренний электрод устройства для разделения ионов, 7 - блок коллектора ионов, 8 - второй изолятор, 9 - штуцер для прокачки воздуха через спектрометр, 10 - изоляторы, Q - поток анализируемого воздуха, В - направление прокачки воздуха внешним насосом.

Изображенное на Фиг.2 устройство включает следующий дополнительные элементы:

11 - ионная линза, 12 - корпус блока коллектора, 14 - коллектор ионов, 13 - электрод для регулирования тока ионов, 15 - участок внутренней поверхности ионной линзы, имеющий переменный диаметр, 16 - участок внешней поверхности внутреннего электрода, имеющий переменный диаметр, 17 - изоляторы, 18 - подвод электропитания к электроду, 19 - отверстия в коллекторе и электроде для регулирования тока ионов, 20 - первая цилиндрическая поверхность внутреннего электрода, 21 - вторая цилиндрическая поверхность внутреннего электрода.

Сущность заявленного изобретения и работы заявленной конструкции спектрометра состоит в следующем. Внешний насос через штуцер 9 прокачивает воздух, содержащий пары органических веществ, через спектрометр (Фиг.1). Пары органических веществ, попадая в область источника ионов на основе радиоизотопного, лазерного или поверхностного ионизатора, например, в зазор между нагретой поверхностью термоэмиттера ионов и дополнительной ионной линзой, ионизируются на поверхности термоэмиттера, и образовавшиеся ионы с потоком воздуха подаются далее в канал дополнительной ионной линзы. При этом между электродами 1 и 3 подается разность потенциалов плюсом на электрод 1. Далее ионы поступают в устройство для разделения ионов и в блок коллектора ионов. Если в блок коллектора поступает ионный пучок с изменяющейся плотностью ионного тока, а сечение газовых каналов данного блока переменно, то под действием объемного заряда ионного пучка, величина которого характеризуется ионным первеансом Р_i пучка, равным для дрейфового движения ионов [2]

где V_g - величина локальной продольной газовой скорости через сечение зазора спектрометра, j - величина плотности ионного тока в сечении данного зазора спектрометра, μ - величина подвижности ионов, ε₀ - диэлектрическая постоянная, ионный пучок будет отклоняться при движении в области блока коллектора ионов. Это приведет к тому, что на коллектор будет попадать разная часть ионного пучка, прошедшего через устройство для разделения ионов, в зависимости от величины ионного тока и скорости газовых потоков.

В предложенной конструкции в области между выходом устройства для разделения ионов и входами в зазоры между коллектором ионов, электродом для регулирования тока ионов и окружающими их электродами движение ионов происходит абсолютно симметрично. Это приводит к тому, что при изменении плотности ионного тока или скорости прокачки воздуха через спектрометр ионный пучок может равномерно расширяться, но при этом его сечение относительно средней плоскости между электродами спектрометра остается симметричным. А это значит, что эффективность сбора ионов коллектором ионов однозначно определяется фиксированной геометрией электродов спектрометра и не зависит от величины ионного тока. Для компенсации погрешностей изготовления и сборки спектрометра служит ионная линза, на которую при настройке спектрометра подается небольшой потенциал, обеспечивающий полную симметрию движения ионного пучка. В оптимальном варианте исполнения блока коллектора спектрометра его коллектор и электрод "отодвинуты" в глубь блока на расстояние (0,5÷1,5)·l, что обеспечивает строго аксиальный ввод пучка в область коллектора ионов. При меньших расстояниях смещения данных электродов в области их торцов могут образоваться завихрения, снижающие эффективность сбора ионов. При больших расстояниях из-за действия объемного заряда ионов также снижается эффективность сбора ионов коллектором

Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности: "новизна" и "изобретательский уровень". Заявленная конструкция может быть реализована в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности: "промышленная применимость".

Испытания макета спектрометра, изготовленного в соответствии с заявленным изобретением, показали, что его динамический диапазон превышает 8 порядков величины и при этом сохраняется пропорциональность между током ионов на выходе устройства для разделения ионов и током коллектора ионов.

Источники информации

1. Патент США №5420424 от 30 мая 1995 г. (аналог).

2. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И. Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул. ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93 (прототип).

3. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И. и др. Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул. Доклады Академии Наук, 2002, том 385, №2, с.200-204.

Изобретение направлено на создание конструкции блока коллектора ионов спектрометра ионной подвижности, обеспечивающей высокую эффективность сбора ионов на выходе из устройства для разделения ионов и имеющую близкую к линейной передаточную характеристику в широком интервале изменения величин ионного тока и потока воздуха, прокачиваемого через спектрометр. Область между выходом устройства для разделения ионов и входами в зазоры между коллектором ионов, электродом для регулирования тока ионов и окружающими их электродами выполнена симметрично относительно средней цилиндрической поверхности симметрии спектрометра, проходящей в зазоре между электродами устройства для разделения ионов. Это приводит к тому, что при изменении плотности ионного тока или скорости прокачки воздуха через спектрометр ионный пучок может равномерно расширяться, но при этом его сечение относительно средней плоскости между электродами спектрометра остается симметричным. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блок коллектора ионов спектрометра ионной подвижности, включающего последовательно расположенные вдоль аксиальной оси симметрии спектрометра источник ионов, например, с радиоизотопной, лазерной или поверхностной ионизацией органических молекул, устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, выполненное в виде дрейфового пространства, образованного зазором между внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D₁ внешнего и внешней цилиндрической частью поверхности диаметром D₃ внутреннего электрически изолированных электродов, и блок коллектора ионов, снабженный штуцером для прокачки воздуха внешним насосом через зазоры между электродами и каналы спектрометра, причем блок коллектора ионов включает последовательно расположенные электрически изолированную ионную линзу, корпус блока коллектора и устройство для сбора ионов, при этом ионная линза выполнена в виде аксиально-симметричного электрода, охватывающего с зазором внутренний электрод устройства для разделения ионов, имеет участок внутренней поверхности с диаметром, увеличивающимся вдоль оси спектрометра от значения D₁ до значения D₂>D₁, своим меньшим диаметром D₁ обращенный в сторону внешнего электрода устройства для разделения ионов и сопряженный через участок с цилиндрической поверхностью с внутренним диаметром D₁ и через электрический изолятор с внутренним диаметром D₁ с внутренней поверхностью внешнего электрода устройства для разделения ионов, а своим большим диаметром D₂ обращенный к корпусу блока коллектора и сопряженный по этому диаметру с внутренней цилиндрической частью поверхности корпуса блока коллектора диаметром D₂, при этом устройство для сбора ионов образовано расположенным в зазоре между корпусом блока коллектора и центральным электродом устройства для разделения ионов электрически изолированным аксиально-симметричным коллектором ионов, имеющим участок с цилиндрической поверхностью, а также расположенным между коллектором и внутренним электродом устройства для разделения ионов электрически изолированным аксиально-симметричным электродом для регулирования тока ионов, также имеющим участок с цилиндрической поверхностью, при этом цилиндрические поверхности коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов обращены в сторону ионной линзы, а коллектор ионов и электрод для регулирования тока ионов имеют каналы для пропуска потока воздуха, прокачиваемого через спектрометр внешним насосом, отличающийся тем, что внутренний электрод устройства для разделения ионов имеет участок поверхности с диаметром, уменьшающимся вдоль оси спектрометра в сторону корпуса блока коллектора от значения D₃ до значения D₄, при этом данный участок поверхности внутреннего электрода симметричен участку поверхности ионной линзы с увеличивающимся диаметром относительно цилиндрической поверхности диаметром (D₁+D₃)/2, больший диаметр этого участка поверхности внутреннего электрода сопряжен с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, а меньший диаметр этого участка поверхности обращен в сторону корпуса блока коллектора и сопряжен со второй цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, имеющей диаметр D₄, причем диаметр D₄ выбирают из соотношения (D₁+D₃)=(D₂+D₄), при этом плоскости сопряжения участка ионной линзы, имеющего переменный внутренний диаметр, с его цилиндрической частью внутренней поверхности и с цилиндрической частью внутренней поверхности корпуса блока коллектора ионов попарно совпадают с плоскостями сопряжения участка внутреннего электрода устройства для разделения ионов, имеющего переменный внешний диаметр, с цилиндрическими частями его поверхности, а величины зазоров между второй цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов и цилиндрической частью поверхности электрода для регулирования тока ионов, между цилиндрической частью поверхности электрода для регулирования тока ионов и цилиндрической частью поверхности коллектора ионов и между цилиндрической частью поверхности коллектора ионов и цилиндрической частью внутренней поверхностью корпуса блока коллектора равны.2. Блок коллектора ионов по п.1, отличающийся тем, что участок ионной линзы, имеющий переменный внутренний диаметр, выполнен в виде усеченного конуса, имеющего меньший диаметр D₁ и больший диаметр D₂, a участок внутреннего электрода устройства для разделения ионов, имеющий переменный внешний диаметр, выполнен в виде второго усеченного конуса, имеющего больший диаметр D₃ и меньший диаметр D₄.3. Блок коллектора ионов по пп.1 и 2, отличающийся тем, что торцы цилиндрических поверхностей коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов, обращенные в сторону ионной линзы, смещены от плоскости сопряжения поверхности ионной линзы, имеющей переменный внутренний диаметр, и корпуса блока коллектора ионов в сторону штуцера для прокачки воздуха через спектрометр на расстояние (0,5÷1,5)·l, где l - величина зазора между цилиндрическими поверхностями коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.