[发明专利]一种离子化气体探测装置

说明书

技术领域

本发明涉及痕量物质探测技术，特别涉及一种利用高场非对称波形离子迁移过滤器进行离子过滤的离子化气体检测装置。

背景技术

二次世界大战中，剧毒性神经毒剂在战场上的出现，造成了人员和动物的大量的死亡。近年来，随着恐怖主义的猖獗、爆炸物、毒品等物质的气相检测变来越重要。从而世界上很多国家全力研制并逐步装备先进的生化检测设备，用于检测地面、武器装备、空气、水源中的化学战剂。但是目前的检测装置都存在的一些缺点：设备庞大、成本高、机动性差、检测时间长等，难以满足实际的应用。而高场非对称波形离子迁移谱具有设备小，灵敏度高，检测时间短的优点。

高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)最早是前苏联在上个世纪80年代开始研制的。FAMIS高的选择性和性噪比引起了一些研究人员的注意，但由于起技术的应用还不成熟，存在很多的缺点，如功率大，测量时间长等。

近年来，美国的Sionex公司和加拿大的lonalytics公司一直在对FAIMS小型化进行研究，并取得了一些有效成果。Sionex公司主要研究平板型的微型离子迁移管，该公司重要研究人员拉安安A米勒等人在中国申请了相关发明专利(公开号：CN1390361A；公开日：2003.01.08)。

lonalytics公司主要是研究圆柱型微型离子迁移管。最近几年国内一些学者在这方面的做了些研究，但实际产品至今没有出现。经常用的是能够集成于小型装置里的离化源有低能β源，真空紫外灯，电晕放电、表面离化源。但这种装置存在着安全问题，并且离化率低。高场非对称波形离子迁移过滤器，对离子探测设备的小型化具有重要作用，下面简单介绍其工作原理。

在低电场时，离子的迁移率是与电场无关的。当电场强度超过11000V/cm以上时，离子的迁移率就会发生变化，并以一种非线性的方式随电场强度发生变化。这种变化如图1所示。图中a是离子的迁移率系数。当a＞0时离子的迁移率是随电场的增加而增加，当电场增加到一定值时，迁移率反而减小；当a＝0时，离子的迁移率系数不变；当a＜0时，离子的迁移率随电场的增加有一定的减小。把一个高频且振幅不对称波形电压V_rf施加在一对电极板上(产生的电场记为E_rf)，当有气流携带离子通过时，离子就会受电场力的作用。对a＞0，a＜0，a＝0三种不同离子在电极板之间的运动曲线图2所示。

在射频电场V_rf的每个周期内，离子都向上部电极(或下部电极)有一个净位移。若与射频电压同时加在电极板上的还有一个直流补偿电压V_cv(其产生的电场记为E_cv，且-1000V/cm＜E_cv＜+1000V/cm)，它产生离子净位移方向相反的电场力。在射频电场E_rf和直流电场E_cv的作用下，特定种类的离子的运动轨迹不会发生偏转，可以穿过两电极板之间的区域(迁移区)到达探测电极被检测到，而不会被撞击到电极板上。其他离子则会与电极板发生碰撞，被中和后由载气流带出迁移区。

每种离子都有各自特定的这种直流电压使其通过迁移区，其对应的直流电压称为补偿电压。在一定范围内对V_cv进行扫描，可以对离子的种类进行表征，得到存在于样品气流中的离子的迁移谱图。样品气流进入离子发生器，样品就被电离成离子状态，再经过由高频且振幅不对称波形电压和直流电压的一对电极板组成的离子过滤器过滤后，样品离子被筛选出来，最后送到离子探测器被检测出来。

现有技术基于高场非对称波形离子迁移过滤器的离子检测装置存在的主要问题是：

1、随着探测装置的小型化发展，要求离子发生器的体积要小，其离化效率要高、工作应稳定可靠，现有技术的离子发生器达不到要求；

2、随着探测装置的小型化发展，装置中各种电极距离越来越近，其相互干扰成为影响装置工作稳定性的重要因数，特别是采用电晕放电的离子发生器对射频电场的干扰、射频电场对探测电极的干扰等都将严重影响探测装置的分辨率和可靠性，现有技术没有很好的解决这些问题；

3、由于离子发生器不可能将样品分子全部电离，带电离子在迁移区与中性分子发生反应，进一步降低了电离效率，并对探测装置的分辨率产生不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的缺点，提供一种离子化气体探测装置，采用矩形结构的开放式电晕放电离子发生器，以提高离子发生器性能。

本发明还解决了带电离子在迁移区与中性分子发生反应的问题。