СПЕКТРОМЕТР ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/64 H01J49/26 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к дрейф-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ.

Известен дрейф-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, например, на основе радиоизотопного источника излучения, устройство для разделения ионов по параметрам дрейфовой подвижности ионов, образованное двумя коаксиальными цилиндрическими электродами, между которыми имеется зазор, и устройство для сбора ионов, состоящее из коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.

Основными недостатком известного устройства являются отсутствие селективности радиоизотопного ионизатора по отношению к определенным классам органических веществ, высокая чувствительность эффективности ионизации к колебаниям влажности воздуха, прокачиваемого через спектрометр и, что более существенно, низкая разрешающая способность спектрометра. Последнее связанно с тем, что при радиоизотопной ионизации одновременно образуется широкий спектр типов ионов, имеющих к тому же как положительный, так и отрицательный электрический заряд. Указанные ионы, поступая в устройство для разделения ионов, сначала разделяются на положительные и отрицательные ионы, затем на электродах устройства оседает избыточный объемный заряд ионного пучка и лишь затем оставшиеся ионы разделяются по их типу. То есть для анализа типа ионов используется только небольшая часть устройства для разделения ионов, с чем и связана его низкая разрешающая способность. Поэтому достигнутая в современной технике разрешающая способность дрейф-спектрометров коаксиального типа с радиоизотопной ионизацией паров органических молекул недостаточна для уверенного разделения всех этих ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе.

Наиболее близким к заявленному изобретению является спектрометр ионной подвижности [2], включающий последовательно расположенные вдоль аксиальной оси симметрии спектрометра источник ионов, например, с радиоизотопной, лазерной или поверхностной ионизацией органических молекул, поступающих в спектрометр в составе анализируемого потока воздуха, электрически изолированную ионную линзу, имеющую центральный канал диаметром d, сообщающийся с полостью источника ионов, 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<D₁ внутреннего электродов устройства, причем зазор между электродами устройства сообщается с центральным каналом ионной линзы, и блок коллектора ионов, соединенный с устройством для разделения ионов через электрические изоляторы, при этом сторона ионной линзы, совмещенная с центральным каналом и обращенная в сторону устройства для разделения ионов, выполнена в виде расширяющегося канала, диаметр которого монотонно увеличивается от значения d до значения D₁ и который на расстоянии L₅ от его начала совмещен через первый электрический изолятор, имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность диаметром D₁, с внутренней цилиндрической поверхностью внешнего электрода устройства для разделения ионов, при этом торец внутреннего электрода устройства для разделения ионов, обращенный в сторону ионной линзы, выполнен в виде выпуклой аксиально-симметричной поверхности, плоскость совмещения которой с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние L<L₅, а вершина которой смещена от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние 0<L₂<L, при этом внешняя поверхность внутреннего электрода устройства для разделения ионов совместно с внутренней поверхностью расширяющегося канала ионной линзы образуют второй зазор, имеющий переменную площадь сечения зазора.

Данный тип спектрометра, в зависимости от выбранного типа материала термоэмиттера ионов [3], обладает высокой селективностью по отношению к определенным классам органических веществ, эффективность ионизации органических молекул на поверхности термоэмиттера слабо зависит от колебаний влажности воздуха, прокачиваемого через прибор, на поверхности поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов образуются только положительные ионы органических молекул. Поэтому в спектрометре с данным типом ионизации органических молекул в устройстве для разделения ионов отсутствует стадия разделения ионов на положительные и отрицательные, то есть его пространство дрейфа используется более эффективно. Кроме того, в ионной линзе происходит частичное снижение величины объемного заряда ионов, выходящих из источника ионов, что способствует увеличению разрешающей способности спектрометра.

Основным недостатком известного спектрометра является его недостаточно высокая разрешающая способность, обусловленная действием объемного заряда положительно заряженных ионов органических молекул [2], движущихся в спектрометре со скоростью воздушного потока, прокачиваемого через спектрометр, то есть со скоростью порядка нескольких метров или нескольких десятков метров в секунду. В связи с этим значительная часть устройства для разделения ионов используется для устранения избыточного объемного заряда ионного пучка, а не для анализа типа ионов, поступающих в устройство для разделения ионов.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать конструкцию спектрометра ионной подвижности, обладающего высокой разрешающей способность в широком диапазоне изменения ионного тока, поступающего в спектрометр из источника ионов любого известного типа - радиоизотопного, лазерного, поверхностно-ионизационного, за счет оптимального выбора условий транспортировки ионов на вход устройства для разделения ионов по параметрам их дрейфовой через каналы ионной линзы, расположенной между источником ионов и устройством для разделения ионов. Предлагаемое техническое решение должно обеспечить, с одной стороны, максимальную передачу ионного тока из источника ионов в устройство для разделения ионов при средних и низких значениях ионного тока с автоматической сепарацией положительных или отрицательных ионов и, с другой стороны, автоматическое и пропорциональное уменьшение ионного тока на входе устройства для разделения ионов при больших значениях ионного тока, чтобы предотвратить уменьшение разрешающей способности спектрометра из-за действия объемного заряда ионов.

Это достигается тем, что ионную линзу выполняют в виде по крайней мере двух аксиально-симметричных электрически изолированных электродов, а второй зазор между электродами спектрометра выполняют таким образом, что величина площади его сечения имеет по крайней мере один локальный максимум.

Величина площади сечения второго зазора имеет один локальный максимум, равный S₂=(16÷40)*πd²/4, при этом диаметры цилиндрических участков поверхности внешнего и внутреннего электродов устройства для разделения ионов выбирают из условий: D₁=(1,10÷1,25)*D₃ и π(D₁ ²-D₃ ²)/4=(8÷15)*πd²/4.

Расширяющийся канал ионной линзы выполняют в виде первого усеченного конуса высотой L₄<L, переходящего во второй цилиндрический канал ионной линзы диаметром D₁, сопряженный по внутреннему диаметру с первым электрическим изолятором, выпуклую часть поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов выполняют в виде двух сопряженных по диаметру D₄<D₃ первого конуса, обращенного вершиной в сторону центрального канала ионной линзы, и второго усеченного конуса, сопряженного по большему диаметру D₃ с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, а плоскость сопряжения первого конуса и второго усеченного конуса отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстоянии L₁<L₄, при этом угол между образующими первого конуса меньше угла между образующими первого усеченного конуса, а угол между образующими второго усеченного конуса больше угла между образующими первого усеченного конуса, причем величины L₁ и D₃ выбирают из условия, что сечение S₂ локального максимума площади сечения второго зазора совпадает с усеченной конусной поверхностью, проведенной во втором зазоре таким образом, что ее образующие сопряжены с линией сопряжения первого конуса и второго усеченного конуса внутреннего электрода устройства для разделения ионов.

Величина площади сечения второго зазора имеет второй локальный максимум, равный S₁=(5,5÷15)*πd²/4 и лежащий в плоскости сечения второго зазора по конусной поверхности, проведенной в зазоре таким образом, что вершина этой конусной поверхности совмещена с вершиной выпуклой поверхности торца внутреннего электрода устройства для разделения ионов, при этом вершина первого конуса внутреннего электрода выполнена в виде выпуклой шаровой поверхности, сопряженной по касательным с образующими первого конуса внутреннего электрода на расстоянии L₃ от начала расширяющегося канала ионной линзы, причем L₂<L₃<L₁.

Величину L₃ выбирают из условия, что величина площади сечения S₃ второго зазора по усеченной конусной поверхности, проведенной во втором зазоре таким образом, что ее образующие перпендикулярны образующим первого усеченного конуса и сопряжены с линией сопряжения шаровой и конусной поверхностей внутреннего электрода устройства для разделения ионов, лежит в интервале S₃=(1÷5)*πd²/4.

Заявленная конструкция иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг.1 - конструктивная схема заявляемого спектрометра в варианте исполнения с поверхностно-ионизационным источником ионов, имеющего один локальный максимум площади сечения второго зазора.

Фиг.2 - в увеличенном масштабе вариант конструктивной схемы взаимного расположения электродов ионной линзы и устройства для разделения ионов спектрометра, имеющего два локальных максимума площади сечения второго зазора.

Фиг.3 - в увеличенном масштабе вариант исполнения ионной линзы, имеющей дополнительный фокусирующий электрод.

Изображенное на Фиг.1 устройство включает следующие элементы:

1 - поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем Н и датчиком температуры Т, 2 - корпус источника ионов, 3, 9 - полость источника ионов, 4 - изолятор между ионной линзой и источником ионов, 5 - первый электрод ионной линзы, 6 - второй электрод ионной линзы, 7 - изолятор между электродами ионной линзы, 8 - первый изолятор, 10 - зазор между электродами устройства для разделения ионов, 11 - внешний электрод устройства для разделения ионов, 12 - внутренний электрод устройства для разделения ионов, 13 - второй зазор, 14 - сечение второго зазора в месте локального максимума его площади, 15 - штуцер для подсоединения внешнего насоса, прокачивающего воздух через спектрометр, А - направления забора в спектрометр воздуха, содержащего пары органических соединений, В - направление прокачки воздуха через спектрометр внешним насосом, 16 - элементы блока коллектора ионов, 22 - второй фокусирующий электрод, 23 - электрод для управления током ионов, 24 - коллектор ионов.

Изображенная на Фиг.2 конструктивная схема включает следующие элементы:

17 - зазор с площадью S₁, образующий второй локальный максимум площади сечения второго зазора, 18 - зазор с площадью S₃, 14 - зазор с площадью S₂, образующий первый локальный максимум площади сечения второго зазора, D₁ - диаметр внутренней поверхности внешнего электрода устройства для разделения ионов, D₃ - диаметр цилиндрической части поверхности внутреннего электрода, D₄ - диаметр сопряжения конусной и второй усеченной конусной поверхностей центрального электрода, d - диаметр центрального канала ионной линзы, L, L₁, L₃, L₂, L₄, L₅ - соответственно расстояния от сопряжения центрального канала ионной линзы и расширяющегося канала ионной линзы до начала цилиндрической поверхности внутреннего электрода, до сопряжения конусной и второй усеченной конусной поверхностей внутреннего электрода, до сопряжения шаровой и конусной поверхностей внутреннего электрода, до вершины выпуклой торцевой поверхности внутреннего электрода, до сопряжения большего диаметра первой усеченной конусной поверхности ионной линзы и его второй цилиндрической поверхности, до плоскости совмещения ионной линзы и первого электрического изолятора.

Изображенная на Фиг.3 конструктивная схема включает следующие элементы:

20 - дополнительный фокусирующий электрод ионной линзы, 21 - дополнительный электрический изолятор.

Сущность заявленного изобретения и работы заявленной конструкции спектрометра состоит в следующем.

Внешний насос через штуцер 15 прокачивает воздух, содержащий пары органических веществ, через спектрометр по стрелкам А и В (Фиг.1). Пары органических веществ, попадая в полость источника ионов, например в зазор между нагретой поверхностью поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов и первым электродом ионной линзы, ионизируются на поверхности термоэмиттера и образовавшиеся ионы с потоком воздуха поступают далее в канал ионной линзы. При этом между электродами 1 и 5 подается разность потенциалов плюсом на электрод 1. Ионы через канал ионной линзы поступают далее в устройство для разделения ионов. Если в устройство для разделения ионов поступает ионный пучок с избыточным объемным зарядом, то это приводит к снижению разрешающей способности спектрометра, причем действие объемного заряда тем выше, чем выше его ионный первеанс, равный для дрейфового движения ионов [2]:

где Р_i - величина ионного первеанса дрейфового движения ионов, V_g - величина локальной продольной газовой скорости через сечение данного зазора спектрометра, j - величина плотности ионного тока в сечении данного зазора спектрометра, μ - величина подвижность ионов, ε₀ - диэлектрическая постоянная. В то же время от источника ионов требуется максимальная эффективность ионизации органических веществ, попадающих в спектрометр с потоком воздуха. При этом устройство, размещенное между источником ионов и устройством для разделения ионов, то есть ионная линза, должно обеспечить выполнение четырех противоречивых требований: обеспечить сепарацию ионов по типу их электрического заряда (положительного или отрицательного); обеспечить автоматическое снижение объемного заряда ионного пучка, попадающего на вход устройства для разделения ионов, если объемный заряд становится слишком большим; одновременно обеспечить пропорциональность между количеством ионов, образовавшихся в источнике ионов, и количеством ионов, проступающих на вход устройства для разделения ионов; обеспечить полную транспортировку ионов в устройство для их разделения, если ионный ток мал.

В заявленном спектрометре эти функции выполняет ионная линза в сочетании с выпуклой торцевой поверхностью внутреннего электрода устройства для разделения ионов, которые совместно выполняют роль автоматического пропорционального фильтра типа ионов и величины объемного заряда ионного пучка. Роль фильтрующих элементов играют изменяющиеся по величине сечения зазоры S₁, S₂, а в варианте исполнения, показанном на Фиг.2, и зазор S₃ в комбинации с сечением зазора между электродами устройства для разделения ионов и сечением канала ионной линзы (Фиг.2). При этом первый зазор S₁ автоматически и пропорционально "сбрасывает" лишний объемный заряд после выхода ионного пучка из канала ионной линзы. Второй зазор S₂ сепарирует ионы по типу электрического заряда и "защищает" вход устройства для разделения ионов от избыточного объемного заряда при больших значениях ионного тока. Третий зазор S₃ в варианте исполнения Фиг.2 дополнительно "подфокусирует" ионный пучок в области между зазорами S₁ и S₂. При этом как в одном, так и в другом исполнении второго зазора на электрод 6 подается фокусирующий потенциал положительной или отрицательной полярности, сепарирующий совместно с сечением S₂ ионы по типу электрического заряда и корректирующий движение ионного пучка во втором зазоре в области сечения S₂. Для более эффективной фокусировки ионов ионной линзой в ней может быть предусмотрен дополнительный фокусирующий электрод 20, как показано на Фиг.3.

В варианте исполнения с одним локальным максимумом площади сечения второго зазора этот максимум расположен в плоскости сечения S₂. В варианте исполнения с двумя локальными максимумами площади сечения второго зазора эти максимумы расположены в плоскостях сечения S₂ и S₁.

При работе заявленного спектрометра в варианте исполнения с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов включают насос, прокачивающий воздух через спектрометр через штуцер 15, нагревателем Н устанавливают требуемое значение рабочей температуры термоэмиттера, на термоэмиттер ионов подают потенциал положительной полярности величиной 50-300 В, в цепи электрода 5 контролируют ток ионов, образующихся на поверхности термоэмиттера, на электрод 20 подают фокусирующий потенциал положительной полярности, на электрод 6 подают второй фокусирующий потенциал, на электрод 11 подают сумму несимметричного высоковольтного и постоянного потенциалов [1-2], электроды 2 и 12 соединяют с общей точкой цепей питания спектрометра, на электроды 22 и 23 устройства для сбора ионов подают соответствующие потенциалы и в цепи коллектора ионов 24 измеряют ток ионов, прошедших через устройство для разделения ионов. Для регистрации спектра различных типов ионов, попадающих в спектрометр с потоком воздуха, линейно изменяют постоянный потенциал, подаваемый на электрод 11, и регистрируют зависимость тока коллектора от величины указанного потенциала.

Интервалы возможных изменений сечений зазоров S₁, S₂ и S₃, а также оптимальные интервалы возможных изменений диаметров D₁ и D₃, указанные в формуле изобретения, выбраны на основе экспериментального измерения разрешающей способности спектрометров с различными конструктивными размерами и сопоставления данной величины с величиной динамического диапазона спектрометра. Данные интервалы хорошо согласуются с выражением (1), в соответствии с которым ионный первеанс в некотором сечении газового канала обратно пропорционален квадрату площади данного сечения. При этом нами экспериментально установлено, что имеется некоторое критическое значение ионного первеанса, выше которого ионный пучок расходится, а разрешающая способность спектрометра уменьшается, а ниже которого данные эффекты не проявляются. При максимально реализуемом токе ионов из источника ионов, равном 1 мкА, выбранные сечения зазоров автоматически обеспечивают подачу на вход устройства для разделения ионов ионного тока не более 3*10^-11 Ампера, при котором его разрешающая способность не уменьшается. При этом также автоматически обеспечивается натурально-логарифмическая зависимость между ионным током на входе устройства для разделения ионов и ионным током источника ионов.

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 разрешающая способность выше данного параметра известных спектрометров в 10-15 раз, а динамический диапазон спектрометра превышает 8 порядков величины.

Источники информации

1. Патент США №5,420,424 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 относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к дрейф-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха. Спектрометр ионной подвижности содержит устройство для разделения ионов в виде электрически изолированных внешнего и внутреннего электродов с цилиндрическими поверхностями. Ионная линза содержит по крайней мере два электрода, один из которых обращен в сторону термоэмиттера ионов, а второй своим расширяющимся каналом - в сторону устройства для разделения ионов, при этом величина площади сечения зазора между вторым электродом ионной линзы и конусной поверхностью входной части внутреннего электрода устройства для разделения ионов, обращенной в сторону ионной линзы, имеет по крайней мере один локальный максимум в интервале расстояний вдоль оси спектрометра от плоскости совмещения центрального и расширяющегося каналов ионной линзы до плоскости совмещения ионной линзы и электрического изолятора между ионной линзой и внешним электродом устройства для разделения ионов. Технический результат: повышение динамического диапазона и разрешающей способности спектрометра ионной подвижности с радиоизотопным, лазерным или поверхностно-ионизационным источником ионов органических соединений. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Спектрометр ионной подвижности, включающий последовательно расположенные вдоль аксиальной оси симметрии спектрометра источник ионов, например, с радиоизотопной, лазерной или поверхностной ионизацией органических молекул, поступающих в спектрометр в составе анализируемого потока воздуха, электрически изолированную ионную линзу, имеющую центральный канал диаметром d, сообщающийся с полостью источника ионов, 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<D₁ внутреннего электродов устройства, причем зазор между электродами устройства сообщается с центральным каналом ионной линзы, и блок коллектора ионов, соединенный с устройством для разделения ионов через электрические изоляторы, при этом сторона ионной линзы, совмещенная с центральным каналом и обращенная в сторону устройства для разделения ионов, выполнена в виде расширяющегося канала, диаметр которого монотонно увеличивается от значения d до значения d₁ и который на расстоянии L₅ от его начала совмещен через первый электрический изолятор, имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность диаметром D₁, с внутренней цилиндрической поверхностью внешнего электрода устройства для разделения ионов, при этом торец внутреннего электрода устройства для разделения ионов, обращенный в сторону ионной линзы, выполнен в виде выпуклой аксиально-симметричной поверхности, плоскость совмещения которой с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние L<L₅, а вершина которой смещена от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстояние 0<L₂<L, при этом внешняя поверхность внутреннего электрода устройства для разделения ионов совместно с внутренней поверхностью расширяющегося канала ионной линзы образуют второй зазор, имеющий переменную площадь сечения зазора, отличающийся тем, что ионную линзу выполняют в виде по крайней мере двух аксиально-симметричных электрически изолированных электродов, а второй зазор между электродами спектрометра выполняют таким образом, что величина площади его сечения имеет по крайней мере один локальный максимум.2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что величина площади сечения второго зазора имеет один локальный максимум, равный S₂=(16÷40)·πd²/4, при этом диаметры цилиндрических участков поверхности внешнего и внутреннего электродов устройства для разделения ионов выбирают из условий D₁=(1,10÷1,25)·D₃ и π(D₁ ²-D₃ ²)/4=(8÷15)·πd²/4.3. Спектрометр по п.2, отличающийся тем, что расширяющийся канал ионной линзы выполняют в виде первого усеченного конуса высотой L₄<L, переходящего во второй цилиндрический канал ионной линзы диаметром D₁, сопряженный по внутреннему диаметру с первым электрическим изолятором, выпуклую часть поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов выполняют в виде двух сопряженных по диаметру D₄<D₃ первого конуса, обращенного вершиной в сторону центрального канала ионной линзы, и второго усеченного конуса, сопряженного по большему диаметру D₃ с цилиндрической частью поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, а плоскость сопряжения первого конуса и второго усеченного конуса отстоит от начала расширяющегося канала ионной линзы на расстоянии L₁<L₄, при этом угол между образующими первого конуса меньше угла между образующими первого усеченного конуса, а угол между образующими второго усеченного конуса больше угла между образующими первого усеченного конуса, причем величины L₁ и D₃ выбирают из условия, что сечение S₂ локального максимума площади сечения второго зазора совпадает с усеченной конусной поверхностью, проведенной во втором зазоре таким образом, что ее образующие сопряжены с линией сопряжения первого конуса и второго усеченного конуса внутреннего электрода устройства для разделения ионов.4. Спектрометр ионной подвижности по п.2, отличающийся тем, что величина площади сечения второго зазора имеет второй локальный максимум, равный S₁=(5,5÷15)·πd²/4 и лежащий в плоскости сечения второго зазора по конусной поверхности, проведенной в зазоре таким образом, что вершина этой конусной поверхности совмещена с вершиной выпуклой поверхности торца внутреннего электрода устройства для разделения ионов, при этом вершина первого конуса внутреннего электрода выполнена в виде выпуклой шаровой поверхности, сопряженной по касательным с образующими первого конуса внутреннего электрода на расстоянии L₃ от начала расширяющегося канала ионной линзы, причем L₂<L₃<L₁.5. Спектрометр по п.4, отличающийся тем, что величину L₃ выбирают из условия, что величина площади сечения S₃ второго зазора по усеченной конусной поверхности, проведенной во втором зазоре таким образом, что ее образующие перпендикулярны образующим первого усеченного конуса и сопряжены с линией сопряжения шаровой и конусной поверхностей внутреннего электрода устройства для разделения ионов, лежит в интервале S₃=(1÷5)·πd²/4.