УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЩИТНОЙ СЕТКЕ КОЛЛЕКТОРА ИОННОГО ТОКА СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
DEVICE FOR CREATION OF VOLTAGE ON PROTECTIVE SCREEN OF ION CURRENT COLLECTOR OF ION MOBILITY SPECTROMETER

Изобретение относится к спектрометрам ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых, наркотических, опасных и токсичных веществ, проведения медицинской диагностики, контроля качества пищевой продукции и промышленных материалов.
Конструкция портативного спектрометра ионной подвижности (рис. 1) включает в себя пробоотборное устройство 1 с возможностью отбора паров из воздушной фазы и термодесорбции частиц малолетучих веществ с промежуточного носителя, источник ионизации 2, выталкивающий электрод 3, ионный затвор 4, отделяющий камеру ионизации 5 от камеры дрейфа 6, коллектор ионного тока 7 с установленной защитной сеткой 8, преобразователь ионного тока 9, блок обработки и хранения данных 10, электронную систему управления 11, газовый насос 12, систему очистки воздуха 13, блок индикации и управления 14, блок коммутации 15 и аккумуляторную батарею 16 для автономной работы.
Принцип работы спектрометра ионной подвижности основан на разделении ионов по времени пролета в газовой среде в постоянном электрическом поле при атмосферном давлении. Газовый насос 12 создает поток воздуха 17, в котором проба 18 из пробоотборного устройства 1 по патрубку 19 поступает в камеру ионизации 5. Из ионов, образовавшихся при работе источника ионизации 2, с использованием выталкивающего электрода 3 и ионного затвора 4 формируется ионный сгусток 20, инжектируемый в камеру дрейфа 6, в которой происходит разделение ионов по подвижностям в постоянном электрическом поле 21 напряженностью около 200 В/см. Формирование электрических полей в камере ионизации 5 и камере дрейфа 6 обеспечивается с помощью высоковольтного делителя напряжения 22. Для обеспечения в камере дрейфа 6 стабильной газовой среды с постоянной влажностью воздуха применяется система очистки воздуха 13, оснащенная газовым насосом и сорбентом на основе молекулярных сит, которая формирует поток очищенного и осушенного воздуха 23 через патрубки 24 и 25. В результате ионы достигают коллектора ионного тока 7, перед которым установлена защитная сетка 8 для минимизации индуцированных наводок от подлетающего ионного сгустка. Напряжение на защитной сетке 8 формируется блоком установления напряжения 26. Коллектор ионного тока 7 подключается к входу преобразователя ионного тока 9, с выхода которого измеренная временная структура ионного тока поступает в блок обработки и хранения данных 10. Оперативность и точность выявления и идентификации веществ обеспечивается синхронизацией от электронной системы управления 11 через линии связи 27. Отображение информации об обнаружении и управление прибором осуществляется с помощью блока индикации и управления 14. Для подключения внешнего питания, периферии, сетевых устройств и вывода графической информации на внешние дисплеи используются разъемы блока коммутации 15. Автономную работу прибора обеспечивает аккумуляторная батарея 16.
Значительная часть целевых веществ образует при работе источника ионизации 2 только положительные или только отрицательные ионы, поэтому одновременное детектирование ионов обеих полярностей существенно расширяет оперативные возможности прибора и обеспечивает большую достоверность получаемых результатов. Для решения задачи одновременного детектирования положительных и отрицательных ионов применяются конструкции детекторов с установленными двумя спектрометрами ионной подвижности, работающими каждый в своей фиксированной полярности (patent US no. 7345276, P.G. Wynn, J.A. Breach, Mar. 18, 2008). Также существуют варианты разделения газовых потоков и сгустков ионов для обеспечения одновременного детектирования положительных и отрицательных ионов (patent US no. 6459079, К.J. Machlinski, M.A. Pompeii, Oct. 1, 2002; patent US no. 8415614, J. R. Atkinson, A. Clark, S.J. Taylor, Apr. 9, 2013). Однако недостатками данных вариантов являются усложнение конструкции системы забора пробы, ухудшение транспорта пробы за счет увеличения длины канала и появления дополнительных изгибов, сложность контроля распределения воздушного потока с детектируемыми веществами, применение сложных конструкций ионных источников и затворов, увеличение массогабаритных параметров.
Более перспективным является использование спектрометра ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов. В таком спектрометре ионной подвижности последовательно, сначала происходит подача высокого напряжения на высоковольтный делитель напряжения 22 для формирования полей в камерах ионизации 5 и дрейфа 6 для детектирования отрицательных ионов, потом происходит переключение полярности высокого напряжения для формирования полей в камерах ионизации 5 и дрейфа 6 для детектирования положительных ионов, или наоборот. Частота переключения полярности высокого напряжения 8 Гц и более обеспечивает практически одномоментное детектирование положительных и отрицательных ионов с достоверностью, достаточной для практического применения.
Важным элементом конструкции такого спектрометра ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов является коллектор ионного тока 7, на который попадают ионы, пролетевшие камеру дрейфа 6. При подлете ионного сгустка 20 к коллектору ионного тока 7 на расстояние порядка диаметра дрейфовой камеры 6, силовые линии поля, индуцируемого ионным сгустком 20, начинают замыкаться на коллектор ионного тока 7 и наводят заряд противоположного сгустку ионов 20 знака. В дальнейшем, при движении ионного сгустка 20, все больше силовых линий индуцированного поля замыкается на коллектор ионного тока 7, что формирует дополнительный входной ток в преобразователь ионного тока 9 и сильно искажает фактическую структуру тока коллектируемых ионов. Для обеспечения корректности измерений и минимизации индуцированных наводок, в общепринятой схеме спектрометра ионной подвижности применяется защитная коллекторная сетка 8, устанавливаемая на расстоянии нескольких миллиметров от коллектора ионного тока 7 и экранирующая его от камеры дрейфа 6. Поскольку существует емкостная связь между защитной сеткой 8 и входом преобразователя ионного тока 9, то даже небольшие пульсации напряжения на защитной сетке 8 могут вызывать помехи в выходном сигнале преобразователя ионного тока 9. Обеспечение требуемого уровня стабильности напряжения обычно достигается путем установки фильтрующих конденсаторов большой емкости в блоке установления напряжения 26. Однако данный подход не может быть применен в случае быстрого переключения полярности детектируемых ионов из-за длительного времени, требуемого для перезаряда вышеуказанных конденсаторов.
Устройство формирования напряжения на защитной сетке, наиболее близкое к предлагаемому, используется в спектрометре ионной подвижности с быстрым переключением полярности детектируемых ионов, в котором блок формирования напряжения на защитной сетке реализован на последнем звене высоковольтного делителя напряжения дрейфовой области (patent US no. 6765198, A. Jenkins, W.J. McGann, Jul. 20, 2004). Схема, обеспечивающая формирование высокого напряжения на электродах камеры дрейфа, использует резисторы R1-R6 для деления напряжения и конденсаторы C1-C6 для фильтрации. Напряжение, прикладываемое к защитной сетке коллектора ионного тока E6, формируется схемой двухполярного ограничителя напряжения 50, которая использует диодный мостовой элемент D1-D4, в качестве нагрузки которого используется однополярная ограничивающая структура 54, состоящая из большой электрической емкости с подключенными параллельно диодом Зенера и резистором. Двухполярный ограничитель напряжения 50 включен в делитель высокого напряжения через резистор R6.
Первый недостаток устройства в вышеуказанном патенте связан с большим дифференциальным сопротивлением диодных элементов D1-D4, что приводит к значительному внутреннему сопротивлению двухполярного ограничителя напряжения и недостаточному ослаблению пульсаций на защитной сетке коллектора ионного тока, вызванных нестабильностью высокого напряжения, особенно при переключении полярности. Указанные пульсации формируют емкостную наводку на коллекторе ионного тока и вызывают значительные искажения выходного сигнала зарядочувствительного усилителя.
Вторым недостатком устройства в вышеуказанном патенте является отсутствие возможности регулировки напряжения на защитной сетке для оптимизации характеристик собирания ионов раздельно для каждой полярности, так как напряжение на защитную сетку подается с делителя высокого напряжения с фиксированными номиналами элементов.
Третьим недостатком устройства в вышеуказанном патенте является требование того, чтобы уровни положительного и отрицательного высокого напряжения были одинаковыми, поскольку при разности уровней будет происходить попеременная "дозарядка" большой емкости однополярной ограничивающей структуры 54, и в конечном итоге - дрейф напряжения на защитной сетке. Данное требование приводит к необходимости применения сложного источника высокого напряжения с точно сбалансированными значениями напряжений обеих полярностей. Кроме того, данное ограничение не позволяет устанавливать разные значения высокого напряжения для отрицательной и положительной полярностей, а соответственно изменять напряженности поля отдельно для отрицательной и положительной полярностей в камере ионизации, ионном затворе и камере дрейфа. Независимым изменением напряженности полей в вышеуказанных областях для разных полярностей можно оптимизировать условия дрейфа ионов и повысить качество детектирования спектрометра ионной подвижности.
Четвертым недостатком устройства в вышеуказанном патенте является требование очень точного подбора номиналов элементов делителя высокого напряжения для обеспечения его частотной компенсации при переключении полярности, особенно в последнем каскаде, формирующем напряжение на защитной сетке коллектора ионного тока и образованном конденсатором C6, резистором R6 и внутренним сопротивлением двухполярного ограничителя напряжения 50.
Пятым недостатком устройства в вышеуказанном патенте является частичный разряд через резистор большой электрической емкости в однополярной ограничивающей структуре 54 за время переключения полярности, что приводит к уменьшению напряжения на защитной сетке и требует дополнительного времени на установление после переключения.
Задача предлагаемого устройства формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока состоит в подавлении пульсаций от высоковольтной части, в обеспечении регулируемого уровня напряжения на защитной сетке для различных полярностей, в возможности изменять напряженности поля в областях дрейфа ионов независимо для отрицательной и положительной полярностей, в исключении влияния погрешностей номиналов высоковольтного делителя напряжения на потенциал защитной сетки и в обеспечении быстрого установления данного потенциала при переключении полярности.
Предлагаемое устройство формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока заключается в установлении напряжения на защитной сетке 8 с помощью повторителя напряжения 28 (рис. 2). Для стабилизации уровня напряжения и исключения пульсаций на защитной сетке на выходе 29 повторителя напряжения 28 устанавливается конденсатор 30 большой емкости порядка нескольких микрофарад. Ток заряда выходного конденсатора 30 определяется номиналом резистора 31. Таким образом обеспечивается высокая скорость перезаряда выходного конденсатора 30 при переключении полярности высокого напряжения 32 за счет большого тока на выходе 29 повторителя напряжения 28. Большое сопротивление на входе 33 повторителя напряжения 28 исключает его влияние на частотно-компенсированный высоковольтный делитель напряжения 22, сформированный элементами 34 и 35. Элемент 34 высоковольтного делителя напряжения состоит из цепочки последовательно соединенных резисторов 36 и 37 с подключенными параллельно к ним конденсаторами 38 и 39. При этом количество резисторов и конденсаторов элемента 34 определяется геометрическими размерами и конструкцией камер ионизации 5 и дрейфа 6. Элемент 35 высоковольтного делителя напряжения образован резистором 40 и конденсатором 41 и отвечает за формирование напряжения на входе 33 повторителя напряжения 28.
Первый вариант реализации повторителя напряжения 28 представлен на рисунке 3 и представляет собой повторитель на операционном усилителе 42 с обратной связью 43, рассчитанный на рабочее напряжение до ±150 В. При применении специализированного операционного усилителя 42 с большим специфицированным выходным током для заряда конденсатора 30, резистор 31 может не устанавливаться. Второй вариант реализации повторителя напряжения 28 представлен на рисунке 4 и представляет собой двухполярный эмиттерный повторитель на биполярных транзисторах 44 и 45. Третий вариант реализации повторителя напряжения 28 представлен на рисунке 5 и представляет собой двухполярный истоковый повторитель, построенный на МОП-транзисторах 46 и 47. Для всех трех вариантов реализации повторителя напряжения 28, представленных на рис. 3, 4 и 5, питание повторителя напряжения 28 осуществляется от двух источников, положительного напряжения 48 и отрицательного напряжения 49, при этом напряжение 48 выше положительного напряжения, прикладываемого к защитной сетке 8 во время измерения положительных ионов, а значение напряжения 49 ниже (с учетом знака) отрицательного напряжения, прикладываемого к защитной сетке 8 во время измерения отрицательных ионов.
Другим вариантом устройства формирования переключаемого напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока является замена повторителя напряжения 28 отдельным управляемым двухполярным источником напряжения с быстрым переключением полярности выходного напряжения в диапазоне от -150 В до +150 В. Такой источник может быть реализован на основе двух независимых управляемых источников напряжения разных полярностей 50 и 51 с системой коммутации (рис. 6). В качестве коммутирующих элементов 52, 53 могут использоваться электромагнитные реле, оптронные ключи и другие подходящие элементы. При формировании положительного напряжения на сетке используется источник 50 и коммутирующий элемент 52. При формировании отрицательного напряжения - источник 51 и коммутирующий элемент 53. Для минимизации пульсаций напряжения на выходах 54 и 55 источников 50 и 51 установлены низкочастотные фильтры с большими постоянными времени, образованные резистором 56 и конденсатором 57 для источника положительного напряжения 50 и резистором 58 и конденсатором 59 для отрицательного источника 51. Напряжение на выходе 54 источника 50 регулируется в диапазоне от +50 В до +150 В, а напряжение на выходе 55 источника 51 регулируется в диапазоне от -50 В до -150 В. Процесс переключения полярности напряжения на защитной сетке 8 заключается в подаче сигнала размыкания ранее включенного ключа 52 или 53, ожидании завершения размыкания, определяемого динамическими параметрами ключа, и последующей подачей сигнала замыкания ключа для необходимой полярности. Использование раздельных источников 50 и 51 обеспечивает возможность регулирования уровня напряжения на защитной сетке 8 независимо для положительной и отрицательной полярностей для гибкой настройки электрического поля в области коллектора и оптимизации сбора ионов разных полярностей. Преимуществом заявляемого способа также является высокая скорость переключения, определяемая скоростью коммутации ключей 52 и 53, и отсутствие дрейфа напряжения на защитной сетке 8 после переключения полярности. Независимая система формирования напряжения на защитной сетке 8 снижает требования к частотной компенсации и времени установления потенциалов на делителе высокого напряжения 22.