ЗАТВОР ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ МОБИЛЬНОСТИ Российский патент 2019 года по МПК H01J49/06 

Область техники

Изобретение относится к затвору для спектрометра ионной мобильности, содержащему: поверхность первого электрода с множеством элементов первого электрода, расположенных в первой плоскости на расстоянии друг от друга; поверхность второго электрода, расположенную на расстоянии от поверхности первого электрода и параллельную ей, и имеющую множество элементов второго электрода, расположенных во второй плоскости на расстоянии друг от друга; и цепь для приложения разности потенциалов между элементами первого электрода и элементами второго электрода.

Такой затвор известен как затвор Тиндаля-Пауэлла.

Предпосылки к созданию изобретения

В спектрометрии ионной мобильности анализируемые молекулы ионизируют и затем переносят к затвору под воздействием общей разности потенциалов в спектрометре. При приложении обратной разности потенциалов между элементами первого электрода и элементами второго электрода, иными словами, разности потенциалов, противоположной общей разности потенциалов, то затвор закрыт и предотвращает прохождение ионов через него в направлении коллекторной пластины спектрометра. С другой стороны, если прямая разность потенциалов приложена к элементам первого и второго электродов, иными словами, в том же смысле, что и общая разность потенциалов, в спектрометре, то затвор открыт и обеспечивает возможность прохождения ионов сквозь и дальше продолжать свой путь в направлении коллекторной пластины.

Когда разность потенциалов между элементами первого и второго электродов на короткое время изменяют с обратной на прямую, а затем снова на обратную, иными словами, затвор на короткое время открывают, а затем закрывают, короткие пучки ионов излучаются в направлении коллекторной пластины через так называемое пространство дрейфа.

Электрическое поле или потенциал дрейфа прикладывают над этим пространством дрейфа между затвором и коллекторной пластиной, посредством чего ионы переместятся в направлении коллекторной пластины. Поскольку различные виды ионов имеют различную скорость перемещения под действием потенциала дрейфа, что называется ионной мобильностью, пучок одного типа ионов попадет на коллекторную пластину в другой момент времени, чем пучок другого типа.

На основе времени, затраченного пучком ионов для прохождения от затвора к коллекторной пластине, также обозначаемого как время дрейфа, можно определить тип ионов, и тем самым, участвующие молекулы.

Тем не менее, недостатком известного затвора является то, что когда затвор открывается на короткое время и затем снова закрывается, относительно удлиненный пучок ионов инжектируется в направлении коллекторной пластины. Для того, чтобы обеспечить возможность измерения разности во временах дрейфа различных типов ионов, для пучков различных ионов необходимо, чтобы они были полностью разделены по всей длине пространства дрейфа в результате конкретной мобильности ионов. Так как пучок инжектированных через затвор ионов удлинен, требуется значительная длина для пространства дрейфа. Эта длина обычно составляет по меньшей мере примерно от 4 до 20 сантиметров.

Дополнительным недостатком такой длины пространства дрейфа является то, что корпус этого пространства должен соответствовать высокоспециализированным конструктивным требованиям для того, чтобы получить однородную разность потенциалов по пространству.

Другим недостатком известного затвора является то, что профиль инжектированного пучка ионов имеет неравномерную форму. Этот профиль напоминает в некоторой степени профиль электрического ската. Кривая обнаружения пучка конкретных ионов на коллекторной пластине в таком случае будет обладать беспорядочной формой, по этой причине становится более затруднительно различить друг от друга разные времена дрейфа для различных пучков ионов.

Все эти вышеуказанные недостатки затрудняют уменьшение размера известных спектрометров ионной мобильности.

Уровень техники

В докторской диссертации Стефана Чарльза Денсона под заголовком «Повышение чувствительности и разрешения миниатюрных спектрометров ионной мобильности с емкостным трансимпедансным усилителем», (ХР055153585), (Stephen Charles Denson, "Improving the sensitivity and resolution of Miniature Ion Mobility Spectrometers with a Capacitive Trans-Impedance Amplifier"), раскрыт трехкомпонентный затвор для ионного пучка. В данном документе указано, что данный затвор работает тем же образом, что и двухкомпонентный затвор со сжатием, за исключением того, что в нем используют третий экран другого компонента, выполненный с возможностью обеспечения равномерного изменения потенциала по радиусу дрейфовой трубки. Напряжения на первом (S1) и третьем (S3) экранах поддерживают постоянными, а напряжение на втором (S2) экране (который находится между первым и вторым экранами) изменяют для управления затвором. Для закрывания затвора на экране S2 устанавливают напряжение, по модулю большее, чем на экранах S1 и S3 ((|V_S1|<|V_S2|>|V_S3|), обратная разность потенциалов между S1 и S2 предотвращает попадание ионов на второй экран. Затвор открывают путем снижения |V_S2|, так что равномерное изменение прямого потенциала приложено к пространству между экранами S1 и S3 (|V_S1|>|V_S2|>V_S3|). Как указано, преимущество, обеспечиваемое третьим экраном, заключается в том, что концентрация ионов не падает в области перед экраном S1, когда затвор закрыт. Однако, как и в случае затвора Тиндаля-Пауэлла, в данном документе указано, что трехкомпонентный затвор должен оставаться открытым для того, чтобы ионы могли перемещаться через два каскада затвора, или ионы будут потеряны при закрытии затвора.

Трехкомпонентный затвор в указанном документе также определяет размер пучка ионов, пропущенных в пространство дрейфа, путем установки длительности отрезка времени, в который затвор открыт, и пока прямой потенциал приложен к трем экранам, затвор остается открытым и будет продолжать пропускать ионы в пространство дрейфа.

Раскрытие сущности изобретения

Для уменьшения вышеуказанных недостатков уровня техники в настоящем изобретении обеспечен затвор для спектрометра ионной мобильности, который раскрыт в п. 1 приложенной формулы изобретения.

Когда затвор используется в спектрометре ионной мобильности, ионы или ионизированные молекулы сначала попадают на поверхность третьего электрода. После того, как ионы прошли через поверхность третьего электрода, они попадают на поверхности первого и второго электродов, которые, по меньшей мере, в отношении положения закрытия затвора, действуют таким же образом, как затвор Тиндаля-Пауэлла.

Как только потенциал между поверхностями первого и второго электродов меняет знак, как и в известном затворе Тиндаля-Пауэлла, в то время как потенциал поверхности третьего электрода остается тем же самым, ионы между поверхностью первого электрода и поверхностью третьего электрода будут притягиваться к поверхности третьего электрода, в то время как ионы между поверхностями первого и второго электродов перемещаются в направлении пространства дрейфа.

Результатом является то, что только те ионы, что расположены между поверхностями первого и второго электродов могут таким образом следовать в пространство дрейфа, даже когда затвор остается открытым в течение значительного времени. Это обусловлено тем, что приток дополнительных ионов блокируется на поверхности третьего электрода.

Таким образом, путем расположения поверхности третьего электрода, длина допускаемого пучка ионов может быть короткой, так как не происходит дополнительного притока ионов при открытии затвора.

Теперь, когда длина пучка ионов может быть короткой, пучки различных типов ионов будут разделены быстрее, в результате чего коллекторная пластина может быть расположена на более коротком расстоянии от затвора, в то время как может быть достигнута та же точность при обнаружении различных пучков ионов.

Кроме того, было установлено, что профиль пучка ионов, вытолкнутых посредством затвора в соответствии с изобретением является более равномерным, в частности, более линейным и параллельным коллекторной поверхности, в результате чего продолжительность времени, за которое обнаруживается пучок типа пучка ионов, также сокращается. Тем самым, в результате распознавание может быть проще выполнено для различных пучков.

В варианте реализации затвора в соответствии с настоящим изобретением элементы первого, второго и/или третьего электрода удлинены. Они могут, например, быть параллельны проводам или линейным проводящим слоям.

В другом варианте реализации затвора в соответствии с настоящим изобретением элементы первого, второго и/или третьего электрода соединены друг с другом в соответствующей плоскости и образуют сетчатый электрод.

Однородное электрическое поле может быть образовано с помощью линейного или сетчатого электрода, в результате чего равномерный, малой длины пучок ионов может быть получен во время открытия и закрытия затвора в соответствии с настоящим изобретением.

Предпочтительный вариант реализации затвора в соответствии с изобретением содержит средства для поддержания равными потенциалов элементов второго электрода и элементов третьего электрода.

Удержание равными потенциалов элементов второго электрода и элементов третьего электрода обеспечивает то, что во время открытия и закрытия затвора электрическое поле выше поверхности третьего электрода и электрическое поле в пространстве дрейфа подвержены минимальному влиянию. Это происходит, несмотря на то, что потенциал поверхности первого электрода изменяется во время открытия и закрытия.

Еще в одном варианте реализации затвора величина шага между элементами первого электрода равна величине шага между элементами второго электрода.

Поскольку величина шага сохраняется той же самой, ионы встречаются с меньшими помехами от электродов и пучку ионов может быть проще придан равномерный профиль.

Величина шага предпочтительно составляет менее 1 мм, и предпочтительно составляет 400 мкм, в то время как расстояние между электродами составляет менее 500 мкм, предпочтительно 200 мкм.

В предпочтительном варианте реализации затвора величина шага между элементами третьего электрода от 3 до 10 раз меньше величины шага между элементами первого электрода.

В случае если величина шага между элементами первого электрода составляет 200 мкм, то величина шага между элементами третьего электрода лежит в диапазоне от 66 мкм до 20 мкм.

Еще один вариант реализации затвора в соответствии с изобретением дополнительно содержит:

- первый пластинчатый носитель, снабженный большим количеством отверстий;

- электропроводящий слой, который расположен на первой стороне пластинчатого носителя и который образует элементы первого электрода;

- электропроводящий слой, который расположен на второй стороне, противоположной первой стороны и который образует элементы второго электрода;

- второй пластинчатый носитель, который снабжен большим количеством отверстий и в котором обе стороны снабжены электропроводящим слоем, который образует элементы третьего электрода; и

- разделитель, расположенный между первым пластинчатым носителем и вторым пластинчатым носителем.

Высокая точность размеров может быть легко достигнута путем расположения электродов в качестве электропроводящего слоя на пластинчатом носителе, таком как, например, слое стекла. Это вносит свой вклад для реализации однородного электрического поля и, как следствие, формирования однородного пучка ионов.

Дополнительно, затвор может быть легко изготовлен согласно этой реализации. Производство пластинчатых носителей с отверстиями и электропроводящими слоями, расположенными по обе стороны, является проверенным методом. Также при использовании разделителей, которые, например, сформированы из пластинчатого материала, пластинчатые носители с поверхностями электродов на них могут быть легко расположены на нужном расстоянии и параллельно друг другу.

Дополнительно, изобретением обеспечен спектрометр ионной мобильности, который содержит:

- затвор в соответствии с настоящим изобретением;

- коллекторную пластину, расположенную на расстоянии от поверхности второго электрода и параллельную ей для обнаружения принятых пучков ионов.

В варианте реализации спектрометра ионной мобильности затвор образован с использованием пластинчатых носителей для поверхностей электродов и дополнительно содержит второй разделитель, расположенный между затвором и коллекторной пластиной.

Такой вариант реализации спектрометра ионной мобильности может быть компактным, и изготовлен простым образом. Тем самым возможно изготавливать компактные устройства, в которых различные вещества могут быть обнаружены с высокой точностью. Примером применения спектрометра ионной мобильности в соответствии с изобретением является обнаружение запрещенных веществ, в частности взрывчатых веществ, в багаже авиапассажиров.

Эти и другие признаки настоящего изобретения далее поясняются со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фигурах 1А и 1В схематически показан известный затвор из уровня техники;

на фигурах 2А и 2В схематично показан вариант реализации затвора в соответствии с настоящим изобретением;.

на фигуре 3 показано схематическое изображение пучка ионов в различные периоды времени после открытия затвора в соответствии с фигурой 2;

на фигуре 4 показан вид в перспективе с разнесенными частями варианта реализации спектрометра ионной мобильности, и

на фигуре 5 показана электрическая схема варианта реализации в соответствии с фигурой 4.

На фигурах 1А и 1В схематически показан известный затвор из уровня техники, который работает в соответствии с указанным выше принципом Тиндаля-Пауэлла. Этот затвор 1, известный из уровня, техники имеет поверхность 2 первого электрода с множеством удлиненных элементов 3 первого электрода, расположенных на расстоянии друг от друга. Поверхность 4 второго электрода расположена на расстоянии от поверхности 2 первого электрода. Эта поверхность 4 второго электрода также имеет множество удлиненных элементов 5 второго электрода, расположенных на расстоянии друг от друга.

На фигуре 1А затвор 1 находится в закрытом положении, в котором между элементами 3 первого электрода и элементами 5 второго электрода приложена обратная разность потенциалов в обратном направлении по отношению к направлению I, в котором вытолкнуты ионы.

На фигуре 1В разность потенциалов между элементами 3 первого электрода и элементами 5 второго электрода находится в том же направлении, что и прямое направление I, в результате чего ионы могут проходить через затвор 1.

Сразу же после открытия и повторного закрытия затвора 1 будет образован пучок ионов, которые, как уже было указано выше, является неоднородным.

На фигурах 2А и 2В схематично показан вариант реализации затвора 10 в соответствии с настоящим изобретением. Затвор 10 содержит поверхность 11 первого электрода, поверхность 12 второго электрода и поверхность 13 третьего электрода, каждая из которых расположена параллельно друг относительно друга.

Элементы 14 электрода поверхности 13 третьего электрода предпочтительно разделены на меньшую величину шага, чем, чем величина шага для первых электродов 15 и вторых электродов 16.

На фигуре 2А затвор 10 находится в закрытом положении, в котором прикладывают обратную разность потенциалов между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 12 второго электрода, т.е. в обратном направлении по отношению к направлению I подачи ионов.

На фигуре 2В затвор переключен в открытое положение, в котором разность потенциалов между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 12 второго электрода изменили так, что она направлена в прямом направлении. Потенциал поверхности 13 третьего электрода 13 тем не менее удерживают постоянным в этом случае, так что обратную разность потенциалов прикладывают между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 13 третьего электрода, предотвращая поток ионов на пределы поверхности 13 третьего электрода.

Таким образом, даже если затвор 10 находится в открытом положении, ионы не могут свободно проходить через затвор 10 в направлении I подачи. Лишь некоторые из ионов, которые находились между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 12 второго электрода могут продолжать свой путь.

На фигуре 3 показано схематическое изображение пучка ионов в различные периоды времени после открытия затвора 10.

В момент времени 0 мкс разность потенциалов между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 12 второго электрода изменяют так, что она направлена в прямом направлении. Так как разность потенциалов между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 13 третьего электрода в этот момент времени направлена в обратном направлении, пучок Z ионов будет в значительной степени двигаться обратно к поверхности 13 третьего электрода (см. 10 мкс и 20 мкс).

Лишь небольшая часть Z_s пучка Z ионов будет отталкиваться поверхностью 12 второго электрода в направлении I так, что эти ионы смогут продолжать свой путь.

Профиль образованного таким образом продолжающегося пучка Z_s ионов является равномерным и более или менее линейным. Длина в направлении I, кроме того, значительно более ограничена, чем в известном уровне техники.

Затвор 10 может в принципе оставаться открытым сколь угодно долго. На фигуре 3 знак разность потенциалов между поверхностью 11 первого электрода и поверхностью 12 второго электрода еще раз переключают в момент времени 40 мкс для закрытия затвора 10, так что затвор возвращается еще раз к положению, показанному на 0 мкс.

На фигуре 4 показан вид в перспективе с разнесенными частями варианта реализации 20 спектрометра ионной мобильности в соответствии с изобретением.

Спектрометр ионной мобильности содержит затвор, имеющий поверхность 11 первого электрода, поверхность 12 второго электрода и поверхность 13 третьего электрода.

Поверхности 11, 12 первого и второго электродов выполнены в виде электропроводящих слоев на пластинчатом носителе, который снабжен отверстиями 21. Поверхность 13 третьего электрода также предусмотрена на пластинчатом носителе с отверстиями 22.

Между первой пластинчатым носителем с отверстиями 21 и вторым пластинчатым носителем с отверстиями 22 находится разделитель 23, который также может содержать соединение 24 для обеспечения поверхности 11 первого электрода потенциалом.

Металлический электрод 25 дополнительно предусмотрен для контакта с пластинчатым носителем с отверстиями 22 для того, чтобы обеспечить поверхность 13 третьего электрода потенциалом.

Под поверхностью 12 второго электрода расположен второй разделитель 26, который образует пространство дрейфа. Под этим разделителем 26 расположен еще один пластинчатый носитель 27 с отверстиями 29, который также называют коллекторной сеткой, с коллектором 28 снизу, который может зарегистрировать принятый пучок ионов.

На фигуре 5 показана электрическая схема варианта реализации 20 в соответствии с фигурой 4. Эта электрическая схема показывает, как различные поверхности 11, 12, 13 электродов и коллекторная сетка 27 электрически соединены друг с другом таким образом, что подходящее падение напряжения достигается в спектрометре 20 ионной мобильности.

Коллектор 28 соединен с усилителем 30 таким образом, чтобы мог быть зарегистрирован прием пучка ионов.

На схеме напряжения изменение потенциала V показано вдоль направления Z в направлении подачи I ионов. Сплошная линия отображает изменение потенциала V в закрытом положении затвора 11, 12, 13, в то время как пунктирная линия отображает изменение потенциала в открытом положении затвора 11, 12, 13.

Как показано на данной диаграмме, напряжения на третьем электроде 13 и на втором электроде 12 равны и остаются одинаковыми, когда затвор закрыт (сплошная линия), и когда он открыт (пунктирная линия). Изменяется только напряжение на первом электроде 11 для переключения между открытым и закрытым состояниями затвора. В закрытом состоянии напряжение на первом электроде 11 ниже, чем на втором и третьем электродах, а в открытом состоянии оно больше, чем на других двух электродах.

Пик 31 пунктирной линии предпочтительно соответствует импульсу напряжения с амплитудой 300 В, а более предпочтительно 600 В, длительность импульса составляет 10 мкс или более предпочтительно 20 мкс.

Изобретение относится к области спектрометрии. Затвор для спектрометра ионной мобильности содержит три параллельные поверхности (13, 11, 12) электродов, каждая из которых имеет расположенные на расстоянии друг от друга элементы электродов для обеспечения возможности прохождения ионов через каждую поверхность электродов. Затвор содержит цепь для приложения напряжений к трем поверхностям электрода для открывания и закрывания затвора. Цепь выполнена с возможностью закрывания затвора посредством подачи напряжения на поверхность (11) первого электрода, которое меньше, чем напряжения на поверхностях (13, 12) третьего и второго электродов. А также выполнена с возможностью обеспечения прохождения части ионов через затвор в течение короткого времени, причем цепь подает большее напряжение на поверхность (11) первого электрода, чем напряжения на поверхностях (13, 12) третьего и второго электродов. Технический результат - уменьшение размеров спектрометра и упрощение распознавания различных пучков. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Затвор для спектрометра ионной мобильности, содержащий:

- поверхность (11) первого электрода, имеющую множество элементов первого электрода, расположенных в первой плоскости на расстоянии друг от друга;

- поверхность (12) второго электрода, расположенную на расстоянии от поверхности первого электрода и параллельную ей и имеющую множество элементов второго электрода, расположенных во второй плоскости на расстоянии друг от друга;

- поверхность (13) третьего электрода, имеющую множество элементов третьего электрода, расположенных в третьей плоскости на расстоянии друг от друга, причем поверхность (13) третьего электрода расположена на расстоянии от поверхности (11) первого электрода и параллельна ей и расположена на противоположной стороне от поверхности (11) первого электрода относительно поверхности (12) второго электрода, и

- цепь для подачи напряжений к указанным поверхностям трех электродов для открывания и закрывания затвора,

характеризующийся тем, что

цепь выполнена с возможностью закрывания затвора посредством подачи напряжения на поверхность (11) первого электрода, которое меньше, чем напряжения, преобладающие на поверхностях (13, 12) третьего и второго электродов, а также выполнена с возможностью подачи большего напряжения на поверхность (11) первого электрода, чем напряжения, преобладающие на поверхностях (13, 12) третьего и второго электродов, в течение времени, достаточного для прохождения через затвор только ионов, расположенных между поверхностями (11, 12) первого и второго электродов.

2. Затвор по п. 1, в котором цепь выполнена с возможностью поддержания потенциалов на поверхностях второго и третьего электродов равными друг другу, когда затвор открыт и когда он закрыт.

3. Затвор по п. 1 или 2, в котором элементы первого, второго и/или третьего электродов выполнены удлиненными.

4. Затвор по п. 3, в котором элементы каждой из поверхностей первого, второго и третьего электродов соединены друг с другом в соответствующей плоскости и каждый электрод выполнен в виде сетчатого электрода.

5. Затвор по любому из предыдущих пунктов, в котором величина шага между элементами первого электрода равна величине шага между элементами второго электрода.

6. Затвор по любому из предыдущих пунктов, в котором величина шага между элементами третьего электрода от 3 до 10 раз меньше величины шага между элементами первого электрода.

7. Затвор по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий

- первый пластинчатый носитель, снабженный большим количеством отверстий (21);

- электропроводящий слой, который расположен на первой стороне пластинчатого носителя и который образует элементы первого электрода;

- электропроводящий слой, который расположен на второй стороне, противоположной первой стороне пластинчатого носителя, и который образует элементы второго электрода;

- второй пластинчатый носитель, который снабжен большим количеством отверстий (22) и обе стороны которого снабжены электропроводящим слоем для образования элементов (13) третьего электрода;

- разделитель (23), расположенный между первым пластинчатым носителем и вторым пластинчатым носителем.

8. Спектрометр ионной мобильности, содержащий:

- затвор по любому из предшествующих пунктов и

- коллекторную пластину (28), расположенную на расстоянии от поверхности (12) второго электрода и параллельную ей, для обнаружения приема ионов.

9. Спектрометр по п. 8, в котором затвор дополнительно содержит второй разделитель (26), расположенный между затвором и коллекторной пластиной (28).