УСТРОЙСТВО ДРЕЙФОВОЙ ТРУБКИ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
DRIFT TUBE STRUCTURE FOR ION MOBILITY SPECTROMETRE

Устройство относится к конструкции спектрометров ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых и наркотических веществ.
63
Спектрометрия ионной подвижности представляет собой метод обнаружения и идентификации сверхмалых концентраций паров различных химических соединений, основанный на разделении ионов по критерию подвижности в слабом электрическом поле в газовой среде. Возможность работы приборов на основе спектрометрии ионной подвижности при атмосферном давлении позволяет существенно упростить газовую систему и реализовать приборы в портативном исполнении, в отличие от традиционных анализаторов на основе газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Общепринятая схема прибора (фиг.1) включает камеру ионизации, в которую вводится проба, подвергающаяся ионизации; камеру дрейфа, в которой происходит разделение ионов по подвижностям во время движения в постоянном электрическом поле; коллектор и детектирующий узел, в котором измеряется ток ионов; систему обработки и хранения данных. В качестве источника ионизации может использоваться излучение радиоактивного вещества (Ni на фиг.1), коронный разряд, излучение лазера, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение. Источник ионизации может работать в непрерывном или импульсном режиме.
Принцип работы спектрометров ионной подвижности состоит в следующем. Молекулы исследуемого вещества поступают через входное отверстие в область ионизации, отделенную электростатическим затвором от области дрейфа. При подаче соответствующих электрических потенциалов на электростатический затвор он становится на короткое время прозрачным для ионов, в результате чего в область дрейфа с однородным электрическим полем вводится ионный сгусток. Для формирования однородного поля в дрейфовой области применяются проводящие электроды, с линейно изменяющимися по длине трубки потенциалами. Ион каждого вещества имеет свою характерную подвижность в слабом электрическом поле, что позволяет разделять ионы по времени пролета. Пролетев дрейфовую область, ионы попадают на коллектор, представляющий собой металлический электрод. Приближающийся к коллектору ионный сгусток наводит заряд на коллекторе, что приводит к расширению выходного импульса. Для устранения данного эффекта, оказывающего негативное влияние на работу прибора, перед коллектором детектора ионного тока установлена экранирующая сетка. Ионный ток на коллекторе преобразуется в сигнал напряжения с помощью усилителя пико-амперных импульсов и поступает на блок обработки данных. Временная структура ионного тока (спектр) характеризует наличие в пробе воздуха ионов, а соответственно и молекул, с данным временем пролета и подвижностью.
Известно устройство спектрометра ионной подвижности (патент на полезную модель №035034 "Спектрометр ионной подвижности"), представляющее собой набор расположенных вдоль одной оси проводящих электродов, электрически изолированных друг от друга. Проводящие электроды могут иметь различную форму и линейные размеры. С двух торцевых краев этой конструкции располагаются соответственно ионный источник для ионизации поступающих в прибор молекул анализируемых веществ и коллекторный электрод для регистрации ионного тока и последующей обработки. В совокупности с диэлектрическими прокладками между проводящими электродами данная конструкция образует герметичный замкнутый объем с расположенными в соответствующих местах входными и выходными отверстиями для продувки дрейфовым газом и забора паров исследуемых веществ. Таким образом, внутри прибора, и особенно в дрейфовой области, поддерживается постоянный состав газовой среды, обеспечивая стабильные условия детектирования веществ. Недостатками спектрометров ионной подвижности, использующих подобные дрейфовые трубки, являются относительно большой вес и линейные размеры, так как проводящие электроды изготавливаются из металла (чаще всего из алюминия или нержавеющей стали). Изготовление данных элементов на металлообрабатывающих станках увеличивает стоимость прибора. Также заметно усложняется сборка прибора, включающая в себя установку и точное позиционирование диэлектрических изолирующих и уплотняющих элементов между проводящими электродами.
Цель создания предлагаемого устройства состояла в разработке конструкции спектрометра ионной подвижности, обладающего меньшим весом, габаритами с использованием при изготовлении стандартных и дешевых технологий.
Известно устройство дрейфовой области спектрометра ионной подвижности (Bradshaw R.F.D., patent US no. 6051832, Apr. 2000), выбранное в качестве прототипа, сущность которого представлена на фиг.2. Дрейфовая область представляет собой совокупность электродов 12, 14, 16 и 18, находящихся под определенными потенциалами и расположенных на плоской диэлектрической основе 10, например печатной плате. Каждых электрод устанавливается перпендикулярно несущей печатной плате 10. Электроды 12 отвечают за формирование однородного поля дрейфа, электроды 14а и 14b образуют ионный затвор, а электроды 16а и 16b совместно формируют область ионизации. Электрод 18 представляет собой экранирующую сетку, снижающую наведенный заряд на коллекторе 20 при подлете сгустка ионов. Сферическая форма данного электрода придает ему упругость и снижает шумы тока коллектора, возникающие в результате механических вибраций. Сам коллектор 20, соединенный с усилителем сигнала, представляет собой печатную плату, припаиваемую к несущей печатной плате 10. Электроды 12, 14, 16 и 18 изготавливаются из тонкого листового металла, например латуни, методом химического травления. На торцах этих электродов, обращенных к несущей плате, изготавливаются штыри 22. В несущей печатной плате 10 в местах размещения электродов изготавливаются сквозные отверстия с металлизацией. Штыри 22, изготовленные на торцах электродов, входят в сквозные отверстия на несущей печатной плате и закрепляются пайкой. Данная технология крепления обеспечивает надежный электрический контакт между электродом и переходным отверстием, герметичность данного соединения и высокую точность размещения электродов.
Несущая печатная плата 10 может быть выполнена с двухсторонней металлизацией, при этом появляется возможность расположить на обратной стороне компоненты электроники управления прибором. В качестве таких электронных компонентов авторы предлагают использовать элементы делителя напряжения, формирующего соответствующие высоковольтные потенциалы на электродах 12, 14, 16 и 18. Передача электрического сигнала от элемента делителя напряжения на одной стороне несущей печатной платы 10 к соответствующему электроду на другой стороне происходит через металлизированные переходные отверстия, которые, как уже описывалось выше, также используются для монтажа электродов. Данное конструктивное решение приводит к миниатюризации спектрометрической ячейки и повышению технологичности ее производства.
Формирование замкнутого объема дрейфовой и ионизационной областей вокруг электродов обеспечивается за счет установки герметичной оболочки 24 на несущей печатной плате 10 (фиг.2, 3). Данная оболочка представляет собой металлическую конструкцию, выполненную, как и электроды 12, 14, 16 и 18, из листового металла, например латуни, методом химического травления. На краях оболочки 24 изготовлены штыри для припайки к несущей печатной плате 10 через сквозные металлизированные отверстия и точного позиционирования. Герметичность соединения оболочки 24 и несущей печатной платы 10 обеспечивается припаиванием шва по всей длине к соответствующему участку металлизации на несущей печатной плате 10. Также возможно использование прокладки из изолирующего материала для обеспечения герметичности.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности нагрева внутреннего объема дрейфовой области и камеры ионизации. Все промышленно изготовляемые спектрометры ионной подвижности используют подогрев внутренних областей. Повышение температуры необходимо для повышения эффективности работы спектрометра в силу нескольких причин.
Прежде всего, это связано с влиянием температуры на ионно-обменные процессы. Ионизация ионов исследуемых веществ происходит в несколько этапов. Вначале образуются положительно и отрицательно заряженные реактант-ионы, концентрация которых существенно превышает концентрацию исследуемых веществ при ионизации молекул окружающего воздуха. Затем реактант-ионы передают свой заряд молекулам исследуемого вещества по механизму химической ионизации при атмосферном давлении. При повышении температуры реактант-ионы содержат меньшее количество молекул воды и соответственно имеют меньшую массу. При этом подвижность реактант-ионов увеличивается, что приводит к увеличению скорости протекания химической ионизации. Повышенные температуры в области ионизации значительно ускоряют ионно-обменные реакции и скорость передачи заряда от реактант-ионов молекулам исследуемых веществ, существенно увеличивая чувствительность и разрешающую способность спектрометров ионной подвижности.
Вторая причина применения нагрева заключается в необходимости постоянной термической очистки прибора. Спектрометры ионной подвижности могут применяться в условиях сильной загрязненности исследуемого воздуха. Кроме того, поскольку при обследовании объекта заранее не известна концентрация детектируемых веществ, существует опасность забора слишком большого количества этого вещества и его адсорбции на внутренних поверхностях прибора. В результате прибор в течение долгого времени может выдавать сигнал о наличии детектируемого вещества, по мере удаления адсорбированных молекул с внутренних поверхностей. Повышение температуры дрейфовой и ионизационной камер значительно уменьшает время десорбции и позволяет быстро восстановить работоспособность прибора.
Для эффективного детектирования веществ температура дрейфовой и ионизационных областей должна поддерживаться с высокой степенью точности. Значение температуры используется в вычислениях приведенной подвижности. Лабораторные исследования показали, что для работы спектрометра ионной подвижности необходимо обеспечить нагрев внутренних поверхностей прибора, соприкасающихся с газовым потоком при заборе пробы и с дрейфовым газом до температуры не ниже 100°С.
Еще одним недостатком конструкции спектрометра ионной подвижности, описанного в патенте Bradshaw, является повышенная чувствительность к механическим вибрациям. Хотя авторы данного патента и указывают как метод борьбы с вибрациями использование сферического электрода 18 для придания ему упругости, проблема крепления самого коллектора 20 не решена до конца. Для работы спектрометров ионной подвижности необходимо использовать как минимум два насоса, создающих воздушные потоки. Первый насос создает поток, проходящий через контейнер с осушителем и поступающий затем в дрейфовую область (в дрейфовой области данный поток направлен против движения ионов). Второй насос устанавливается в районе ионного источника и создает поток, засасывающий пары исследуемого вещества и транспортирующий их в область ионизации. Кроме того, в промышленных приборах, имеющих области повышенных температур, отдельные элементы требуют охлаждения, осуществляемого с помощью вентиляторов. Работа вентиляторов и насосов создает постоянную вибрацию, передаваемую на элементы конструкции прибора, в том числе на коллектор. В результате наблюдается дополнительный шум в регистрируемом ионном токе и, как следствие, появление ложных срабатываний. Поэтому надежное и прочное крепление коллектора к остальной конструкции является чрезвычайно важным для обеспечения работы прибора.
Поставлена задача разработки системы нагрева дрейфовой и ионизационных областей спектрометра ионной подвижности при использовании конструкции с несущей печатной платой и впаянными в нее электродами и разработки прочного крепления коллектора к несущей печатной плате. Сущность предлагаемого устройства спектрометра ионной подвижности поясняется на фиг.4.
Предлагаемый спектрометр ионной подвижности содержит несущую печатную плату 1 с закрепленными на ней электродами 2, которые формируют камеру дрейфа. С одного торца несущей печатной платы 1 закреплены электрод 3, включающий в себя импульсный источник ионизации на основе коронного разряда и формирующий область ионизации, и электроды 4 и 5, образующие электростатический затвор между областями ионизации и дрейфа. Импульсный источник коронного разряда представляет собой набор из нескольких пар заостренных иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава. Расстояние между остриями игл порядка 1 мм, радиус закругления около 25 мкм. Коронный разряд инициируется подачей между электродами переменного напряжения с частотой 150 кГц, амплитудой 3000 В и продолжительностью 0,4 мс от источника импульсного переменного напряжения.
С другого торца несущей печатной платы 1 закреплена коллекторная диэлектрическая печатная плата 8, имеющая прочное соединение с несущей печатной платой 1. Коллектор 7 может представлять собой участок металлизации на данной плате или быть отдельным элементом из проводящего материала, например металла, припаиваемого к коллекторной печатной плате 8. Это обеспечивает жесткость крепления коллектора по отношению к другим элементам конструкции спектрометра. Электрод 6, выполняющий функцию апертурной сетки и экранирующий коллектор при подлете сгустка ионов и тем самым снижающий наведенный сигнал, также припаивается к коллекторной печатной плате. Все описанные выше электроды изготавливаются из тонкого листового материала методом лазерной резки или химического травления. Электроды 4, 5 и 6, представляют собой вырезанные лазером сетки из листового металла с прямоугольными или круглыми ячейками. Для обеспечения прохождения максимального количества ионов через данные элементы толщина листового материала для их изготовления должна составлять не более 0.2 мм. Электроды 2 и 3 также изготавливаются из тонкого листового материала методом лазерной резки, при этом особых требований к их толщине не предъявляется. В данной конструкции толщина этих элементов составляет 0,4 мм.
Для крепления электродов к несущей печатной плате 1 используются штыри 10, изготовленные на торцах электродов. В соответствующих местах в несущей печатной плате 10 изготовляются сквозные отверстия с металлизацией. Технология крепления заключается в том, что штыри 10 входят в сквозные отверстия на несущей печатной плате 1 и закрепляются пайкой. Данная технология крепления обеспечивает надежный электрический контакт между электродом и переходным отверстием, герметичность данного соединения и высокую точность взаимного позиционирования электродов и элементов конструкции.
В качестве несущей печатной платы 1 используется печатная плата с двухсторонней металлизацией, при этом на обратной стороне платы размещаются элементы делителя напряжения, формирующего соответствующие высоковольтные потенциалы на электродах 2, 3, 4, 5 и 6. Передача электрического сигнала от элемента делителя напряжения от одной стороны несущей печатной платы 1 к соответствующему электроду на другой стороне происходит через металлизированные переходные отверстия, которые также используют для монтажа электродов.
Формирование замкнутого объема вокруг электродов обеспечивается установкой герметичной оболочки 9 на несущей печатной плате 1 с заполнением припоем переходных отверстий. Схема расположения и установки герметичной оболочки 9 показана на фиг.4. Данная оболочка представляет собой металлическую конструкцию, выполненную, как и электроды 2, 3, 4, 5 и 6, из листового металла, в данном случае латуни, методом лазерной резки или химического травления. На краях оболочки 9 изготовлены штыри 10 (фиг.4) для крепления к несущей печатной плате 1 через сквозные металлизированные отверстия и осуществления точного позиционирования. Герметичность соединения оболочки 9 и несущей печатной платы 1 обеспечивается пайкой шва по всей длине к соответствующему участку металлизации 14 на несущей печатной плате 1. Также возможно использование прокладки из изолирующего материала для обеспечения герметичности. Через отверстия с патрубками 15 и 16 в герметичной оболочке 9 районе электрода 3 с источником ионизации на основе коронного разряда осуществляется забор паров исследуемого вещества в область ионизации и последующий отвод данного воздушного потока за пределы герметичной оболочки 9. Также через отверстия с патрубками 17 и 18 рядом с коллектором 7 и с электродом 5 соответственно проходит встречный по отношению к движению ионов воздушный поток очищенного воздуха. Этот поток формируется в замкнутой системе циркуляции воздуха, включающей воздушный насос и адсорбционную ловушку, заполненную молекулярными ситами (не показаны).
Подогрев областей ионизации и дрейфа осуществляется нагревательными элементами 11 и 12 (фиг.4, 5, 6). Нагревательный элемент 11 представляет собой двухслойную печатную плату, изготовленную по стандартному технологическому процессу, с разводкой под установку нагревающих элементов (резисторы с поверхностным монтажом, фиг.7) и датчиков контроля температуры на одной из ее сторон. Другая поверхность имеет сплошную металлизацию поверхности для обеспечения равномерного распределения тепловой энергии по поверхности и экранирования внутренней структуры от внешних электростатических наводок на коллектор 7. Нагревательный элемент 11 также выполняет функцию одной из стенок герметичной оболочки 9. Такое конструктивное решение приводит к миниатюризации спектрометрической ячейки и повышению технологичности ее производства. Нагревательный элемент 12, имеющий конструкцию аналогичную нагревательному элементу 11, устанавливается под несущую печатную плату 1. Для передачи тепловой энергии от нагревательного элемента 12 к несущей печатной плате 1 используются специальная диэлектрическая пластина 13, выполненная из теплопроводящего материала. В качестве такого материала может выступать теплопроводящая прокладка из листового материала, теплопроводящая паста или теплопроводящий полимеризующийся компаунд. В итоге обеспечивается быстрый прогрев несущей печатной платы 1 и электродов 2, 3, 4, 5 и 6 через места пайки в районе штырей 10. Использование нагревательных элементов 11 и 12 с низким сопротивлением теплопередаче по отношению к элементам конструкции дрейфовой и ионизационной областей и малой теплоемкостью обеспечивает высокую динамику выхода спектрометра ионной подвижности на заданный температурный режим.
Все используемые в предлагаемом устройстве печатные платы могут быть изготовлены на основе стеклоэпоксидного ламината, полученного методом горячего прессования стеклотканей, пропитанных термореактивным связующим на основе совмещенных эпоксидной и фенолформальдегидной смол, или керамики. Материалы на основе стеклоэпоксидного ламината, например FR-4, являются наиболее распространенными материалами для производства двухсторонних и многослойных печатных плат. Термостойкость данного материала позволяет ему работать в приборе при рабочей температуре 100°С, но не позволяет произвести термическую очистку при более высоких температурах. Продолжительная очистка при температурах выше 200°С позволяет добиться высокой степени очистки внутренних поверхностей от загрязнения, что может быть реализовано при использовании печатных плат на основе керамики.
Крепление коллекторной платы 8 с размещенными на ней коллектором 7 и электродом 6 к несущей печатной плате 1 осуществляется пайкой шва между данными элементами. Кроме того, пайкой шва происходит крепление коллекторной платы 8 к нагревательному элементу 12 и оболочке 9. Таким образом, коллекторная печатная плата 8, а следовательно и коллектор 7, оказываются прочно связанными с остальной конструкцией спектрометра. Данное конструктивное решение позволяется значительно снизить вибрационные колебания коллектора, вызванные работой насосов, создающих воздушные потоки. В итоге значительно улучшается стабильность работы прибора вследствие устранения дополнительного шума в регистрируемом ионном токе.
Технология изготовления всех конструктивных элементов предлагаемого устройства соответствует стандартной технологии изготовления печатных плат. Для изготовления элементов источника ионизации на основе коронного разряда, сеток электродов и элементов герметичной оболочки используется стандартная технология лазерной резки. Таким образом, все элементы конструкции изготавливаются в рамках стандартных, а следовательно, дешевых, технологических процессов.