[发明专利]离子迁移谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于毒品和爆炸物检测的离子迁移谱仪及其离子存储和导出方法，属于安全检测技术领域。

背景技术

通常在离子迁移谱技术中，迁移管中的离子栅门采用Bradbury-Nielson结构。这种离子栅门中，拉紧的细金属丝在同一平面以很小的间隔平行排列，两组各自连通的金属丝在结构上以叉指形式间隔分离，且相互电绝缘地一起固定在不导电的支架上。安装金属丝时必须拉紧金属丝，但是金属丝很容易拉断。由于金属丝的热胀冷缩还可能导致金属丝的松弛或断裂。无论采用何种设计方案，如果出现了金属丝线的不平行、弯曲或其他缺陷，都会导致离子栅门和迁移管的性能变差。一般情况下，在离子栅门控制下，在每20ms～30ms的时间内，有300μs的时间离子可以从反应区进入迁移区。这样，就只有1％的离子被用于测量，离子利用率很低。这种离子栅门的设计受到占空比、最小脉冲宽度、迁移管安装的复杂性和高成本等固有因素的困扰和限制。

为了提高迁移管的离子利用率，降低组装的难度，有人提出了离子存储结构来代替传统的离子栅门。在离子门处于关闭状态时，传统的离子栅门通过横向的电场，使得离子撞在金属丝上而被中和掉；而离子存储结构则将电离区漂移过来的离子储存起来，直至离子门切换至打开状态，再通过电场作用，使储存起来的离子进入迁移区。

美国专利5200614公开了一种离子存储结构的迁移管。在这种设计中，虽然将电离区和离子存储区合为一体，简化了结构，但在进一步的应用中带来了不便。由于正负离子同时积聚在离子存储区，它们的复合作用会造成离子的损失，影响迁移管的灵敏度。同时，这种结构需要较长的时间才能将离子存储区的离子送入迁移区，从而造成离子迁移谱的展宽，影响迁移管的分辨率。

中国专利200710304330.x提出了改进方案，通过电场屏蔽使得存储的离子能够自由地分布在离子存储区，而不受外界电场的影响。然而，由于电场屏蔽的作用，导向聚焦电极难以有效地发挥作用，导致存储区的离子需要较长时间才能进入迁移区，从而制约了仪器的分辨率和灵敏度。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明在相关离子存储结构的理论基础上，提出一种新型的离子迁移谱仪，能够有效地提高离子利用率至10％～20％，整体提升离子迁移谱仪的检测性能。其控制方法、制造工艺比较简单，能够有效地降低成本。

解决不足所采用的技术方案是：

本发明的离子迁移谱仪包括离子源电极1、聚焦导向电极4、离子存储电极5；

离子源电极1由不锈钢筒状结构组成，靠近聚焦导向电极4的一侧有内倒角；

聚焦导向电极4由不锈钢的喇叭状结构和环状结构组合而成，表面喷涂一层绝缘漆；设置在靠近离子源电极1有内倒角的一侧，且喇叭状结构从靠近离子源电极1的一侧向远离离子源电极1的一侧逐渐变大；

聚焦导向电极4的环状结构，具有屏蔽外界电场的作用，保证离子存储区的电场几乎为零，从而使得离子在离子存储区自由分布；

离子存储电极5，设置在聚焦导向电极4的远离离子源电极1的那一侧，由不锈钢丝网和不锈钢环组成；

离子存储电极5不锈钢丝网的孔状结构包含六边形孔、圆形孔或正方形孔；离子存储区过多的离子将会撞击到离子存储电极5的不锈钢丝网上，保证了离子存储区的离子不会因为存储了过多的离子而出现“溢出”现象，防止在离子存储阶段离子进入迁移区，同时也避免了迁移管接收端由于检测电流过大可能引起烧坏信号放大和采集电路的问题；

聚焦导向电极4与离子存储电极5之间环状绝缘夹层7为聚四氟乙烯或PEEK材料，其厚度小于4mm，这样，绝缘夹层7的厚度限定了离子存储区的轴向宽度，使得离子分布在较薄的一层，同时聚焦导向电极和离子存储电极之间能够形成较强的电场，有利于电压脉冲在很短的时间内将离子导入迁移区。

本发明的离子迁移谱仪的控制方法在一个工作周期内(20～30ms)包括离子存储阶段、离子导出阶段和过渡阶段：

离子存储阶段，向聚焦导向电极4和离子存储电极5施加电压，使得其小于或等于电极3和电极6上施加的电压，以形成电势“洼地”，将离子存储在离子存储结构中，该阶段持续200～300μs；

离子导出阶段，向聚焦导向电极4和离子存储电极5施加电压，使得其高于电极3和电极6上施加的电压，且聚焦导向电极4上的电压高于离子存储电极5上的电压，以导出存储在离子存储结构中的离子；