СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗОВ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ МОБИЛЬНОСТИ ИОНОВ
METHOD OF MEASURING GASES AND CORRESPONDING ION MOBILITY SPECTROMETRY

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу измерения газов, этот способ содержит следующие этапы:
- ионизацию образца газа в токе газа,
- проведение тока ионизированного газа через удлиненную камеру измерения мобильности ионов в ее определенном поперечном сечении потока;
- разделение ионов с различной ионной мобильностью с помощью поперечного электрического поля и, по меньшей мере, одной пары измерительных электродов, встроенных в стенке измерительной камеры.
Кроме того, изобретение относится к спектрометру ионной мобильности, реализующему этот способ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Спектрометрия ионной мобильности представляет собой способ измерения газового загрязнения воздуха (Айсман (Eiceman) и Карпас (Karpas), 2005). Мобильность ионов может быть измерена множеством способов. Наиболее общим является спектроскопия ионной мобильности по времени пролета или дрифт-спектроскопия ионной мобильности. Другим известным способом является всасывающая спектроскопия. Он используется для измерения мобильности и ионов, и аэрозольных частиц. Всасывающая спектроскопия основана на том факте, что ионы перемещаются в потоке воздуха, как правило, под действием электрического поля, которое в большинстве случаев перпендикулярно этому потоку. Если электрическое поле поддерживается постоянным, то ионы в зависимости от их электрической мобильности дрейфуют в различные места, и при этом мобильность определяется, исходя из измерения их местоположения. Кроме того, измерения могут производиться изменением электрического поля во времени, и в этом случае ионы, проявляющие различную мобильность, измеряются в различные моменты времени.
В публикации заявки США 2007/0023647 A1 Циммермана (Zimmermann) раскрывается спектрометр ионной мобильности, в котором образцовый газ ионизируется и направляется в узкую точку в поперечном сечении транспортировочного потока газа перед измерительными электродами. Это составляет предмет так называемой всасывающей спектроскопии второго порядка. В идеальном случае ионизированный образцовый газ направляется в центр поперечного сечения транспортировочного газа и электрического поля в виде узкого потока, когда все ионы начинают движение с одного и того же поперечного расстояния относительно последовательно расположенных электродов. Таким образом, переменными, влияющими на боковое перемещение молекул, являются масса и заряд молекулы. Точность разделения каналов значительно увеличивается по сравнению с током ионов всей площади поперечного сечения. Однако управление транспортировочным газом и предназначенным для ионизации образцовым газом усложняет конструкцию. Малейшее возмущение даже в одном компоненте потока может легко породить относительно большую погрешность. Подобная же конструкция раскрыта в публикации заявки США 2006/0054804 A1 Векслера (Wexler)
В публикации WO 2008/008826 A2 раскрываются несколько устройств спектрометров ионной мобильности иных типов. Фиг. 5 и 6 этой публикации показывают устройство спектрометра ионной мобильности, использующего мультикомпонентный электронный затвор Брэдбери-Нильсена (Bradbury-Nielsen), в котором используются частота порядка 1 МГц и сканирующее напряжение постоянного тока. Такая электронная конфигурация с учетом нескольких фазированных источников радиочастоты в комбинации со сканированием по постоянному току является чрезвычайно сложной.
В принципе, образцовый газ мог бы быть направлен и в центр, но практическая реализация этого трудна, и по этой причине публикация раскрывает модель, в которой образцовый газ направляется на край потока транспортировочного газа. В параметрах параболического распределения скорости потока транспортировочного газа такая подача не будет оптимальной, а, наоборот, будет порождать погрешности.
1-n
1
3
1n
1
2
Фиг. 1 показывает традиционный способ исполнения всасывающей ячейки. Ионы J подходят к разделенным между собой измерительным полоскам е-е со всей площади канала потока. Хотя большая часть ионов приходит из центра вследствие распределения скорости потока, из-за ионов, идущих с краев потока, возникает значительная погрешность. Фиг. 2 показывает так называемую конструкцию колебательной ячейки, в которой ионы J подходят к отдельной измерительной полоске е-е со всей площади канала потока. В этом варианте исполнения разделение ионов происходит изменением поля. Этот способ, так же, как и предыдущий, имеет недостаток, связанный с широким разбросом момента прибытия ионов.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предназначено для создания более простого, чем предыдущие, способа и устройства для измерения образцов газа, особенно для реализации так называемого всасывающего спектроскопа ионной мобильностивторого порядка. Отличительные признаки способа в соответствии с настоящим изобретением указаны в пункте 1 формулы изобретения, а отличительные признаки соответствующего устройства спектроскопа ионной мобильности указаны в пункте 6 формулы изобретения. Посредством техники фильтрации в соответствии с настоящим изобретением ток эмиссии может находиться в центре поперечного сечения потока, и в нем распределение скорости тока является наибольшим. Данная конструкция является существенно более простой, чем вышеописанное устройство Циммермана. В самом простейшем его варианте в этом потоке эмиссии может быть абсолютно нулевое поле, но в более сложном варианте исполнения ионы могут выбираться с использованием небольшого электрического поля и коллекторных электродов, которые позволяют проходить через эмиссионный канал для разделения только некоторым ионам.
В ионно-собирающей части потока, то есть, в упомянутом канале отсечки электрическое поле относительно мобильности ионов является статическим. В соответствии с выбранным вариантом исполнения может быть использовано медленно изменяющееся (менее чем 100 Гц, более обычно 0-50 Гц) или абсолютно статическое электрическое поле. Например, во временнóм интервале длительностью в одну секунду для оптимизации разделения ионов с различной мобильностью может быть использовано медленно изменяющееся электрическое поле. Электрические поля предварительного фильтра являются достаточно продолжительными в направлении потока, чтобы ионы смогли быть выбраны из канала отсечки, и была бы обеспечена невозмущенная работа канала эмиссии. Разделительные электроды расположены в измерительной камере за предварительным фильтром в осевом направлении, в соответствии с вычисленными траекториями.
Статическое электрическое поле в канале эмиссии требует наличия эквипотенциальных электродов с обеих сторон. Однако, каждый электрод этого статического электрического поля может быть расположен с противоположной стороны изолирующей пластины и одновременно он может являться вторым электродом канала отсечки.
С помощью техники ионной фильтрации в соответствии с настоящим изобретением достигается значительная точность измерения по сравнению с детектором без ионной фильтрации. Посредством техники ионной фильтрации в соответствии с настоящим изобретением канал эмиссии может быть в центре поперечного сечения потока, там, где распределение скорости тока является наибольшим. Данная конструкция является существенно более простой, чем конструкция вышеописанного устройства Циммермана.
Используемый в качестве образца воздух является ионизированным, например, альфа- или бета излучением. Ионы допускаются в измерительную часть только из ограниченного сечения. В соответствии с настоящим изобретением из краев канала потока, из так называемого отсечного тока ионы отфильтровываются, а к измерению мобильности допускаются ионы только из центральной части канала потока, из так называемого тока эмиссии. Каналы соответствующих частей называются отсечным каналом и эмиссионным каналом. Это значительно увеличивает разрешение мобильности по сравнению с ситуацией, в которой ионам разрешается вход в измерительную часть со всей площади канала потока (так называемый всасывающий спектроскоп ионной мобильности первого порядка). Токи отсечки вокруг тока эмиссии управляют распределением скорости этого тока. В одном варианте исполнения ионы удаляются в результате размещения в канале потока очень тонких металлических пластинок, в некоторых из которых есть электрическое напряжение. Ионам разрешается заходить в измерительную камеру через единственную щель. В этом случае эмиссионная щель расположена в центральной части канала, то есть, не совсем сбоку. Расположение эмиссионной щели в центре канала является предпочтительным, поскольку ионы распределены по потоку, и наибольшая плотность ионов в единицу времени имеет место в центре канала. Ионам разрешается проход через наиболее центральную часть щели (иначе они выбираются) наделением их одним и тем же потенциалом. Из любого иного места ионы выбираются посредством соответствующего барьерного электрического поля. Достаточно тонкие пластинки не возмущают поток, а, наоборот, - выравнивают сопротивление потока соответствующего канала таким образом, чтобы поток проходил через каждую щель. В предпочтительной конструкции направляющие поток пластинки с целью управления распределением тока имеют взаимно различные размеры.
Признаки портативного всасывающего спектроскопа ионной мобильностивторого порядка в соответствии с настоящим изобретением могут быть суммированы следующим образом: Ионы генерируются по всей высоте канала потока, например, с помощью радиоактивного источника. Фильтрацией ионов со всех других мест посредством пластинчатой конструкции, разделяющей канал потока, предпочтительно с максимальной точки распределения скорости потока разрешается вход ионов в измерительную камеру с ограниченной площади. При этом допуском в камеру измерения мобильности ионов, идущих из центральной части, используется большая плотность ионов (в единицу времени) центральной части канала потока. Ионы могут направляться посредством электрического поля, созданного перед конструкцией эмиссионной пластины, например, увеличением плотности ионов в центральной части канала с помощью электрического поля. Кроме того, конструкция эмиссионной пластины действует как экран, предотвращающий прямой выход ионизирующего излучения из измерительной камеры. Эта конструкция позволяет производить "компактное" измерение. Эта конструкция может быть использована для выполнения измерений типа DMS/FAIMS. Данная конструкция может быть скомбинирована с измерениями так называемого колебательного типа, когда желательная часть распределения мобильности отобрана из полученного потока ионов второго порядка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение описывается на примерах со ссылками на сопроводительные рисунки, на которых:
Фиг. 1 показывает способ исполнения традиционной засасывающей ячейки;
Фиг. 2 показывает конструкцию так называемой колебательной ячейки;
Фиг. 3а показывает условную схему другой ячейки всасывающего спектроскопа ионной мобильностивторого порядка;
Фиг. 3b показывает измененный вариант исполнения по фиг. 3а;
Фиг. 4 показывает один альтернативный вариант исполнения конструкции барьерной пластины предварительного фильтра;
Фиг. 5 показывает конструкцию другого всасывающего спектроскопа ионной мобильностивторого порядка;
Фиг. 6 показывает условную конструкцию предварительного фильтра;
Фиг. 7 показывает поперечное сечение канала потока до предварительного фильтра;
Фиг. 8 показывает условную схему слегка измененной предыдущей конструкции второго порядка;
Фиг. 9 показывает аксонометрический вид и поперечное сечение ячейки всасывающего спектроскопа ионной мобильности;
Фиг. 10 показывает аксонометрический вид и поперечное сечение второго практического варианта ячейки всасывающего спектроскопа ионной мобильности; и
Фиг. 11 показывает поперечное сечение третьего практического варианта ячейки всасывающего спектроскопа ионной мобильности, более простого, чем предыдущий.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Работа всасывающего спектроскопа ионной мобильностивторого порядка с разделением положения показана на условной схеме по фиг. 3а. Поток 10 ионизированного газа направляется в измерительный канал 12, посредством чего в этом канале обычно создается параболическое распределение скорости. С точки зрения практических измерений центральный элемент является ячейкой разделения положения, в которой ионы с различной мобильностью собираются в разных местах, которые обозначены ссылочными позициями К1, К2 и К3. Поток воздуха перемещается с параболическим распределением скорости, таким, что ток в центре является максимальным. Вследствие такого распределения скорости тока в центре в единицу времени прибывает большее количество ионов, чем количество ионов, которое прибывает по краям. С помощью предварительного фильтра 14 производится отбор ионов от краев канала. Этот фильтр содержит тонкие металлические пластинки 16, к двум самым внешним из которых приложено собирающее электрическое напряжение. Каналы с электрическим полем называются отсечными каналами, поскольку они удаляют ионы. Эти отсечные каналы оказывают пренебрежительно малое влияние на реальный ток газа. Самые центральные пластинки заземлены или имеют один и тот же общий потенциал, такой, что между ними и проходящими мимо них ионами нет никакого электрического поля, так что между этими пластинками образован канал эмиссии. Посредством такой конструкции ионы с различной мобильностью собираются точно в разных местах. В предпочтительном варианте конструкции площадь поперечного сечения самого центрального канала мала по сравнению с общей площадью поперечного сечения, и в ней есть множество каналов эмиссии. Для простоты на рисунке изображены лишь несколько щелей, необходимых для иллюстрации идеи.
В соответствии с фиг. 3b эмиссионный канал может быть приспособлен в качестве фильтра, если, в отличие от сказанного выше, в нем присутствует небольшое либо статическое, либо медленно изменяющееся (сканирующее) электрическое поле. На этих иллюстрациях показаны границы 13a и 13b, а именно:
- линия раздела 13a: мобильность ограничена эмиссионным полем DMS или постоянного тока - ионы с большей мобильностью через нее не проходят;
- линия раздела 13b: ионы с меньшей мобильностью, испущенные полем DMS или полем постоянного тока, будут проходить через нее и идти дальше в измерительную зону на разделение.
Эмиссионный канал, кроме того, может быть использован в качестве фильтра двумя путями:
1) приложением к эмиссионному каналу электрического напряжения (поля); с помощью эмиссионного канала можно ограничить вход в измерительный канал ионов с высокой мобильностью. Напряжение эмиссионного канала определяет мобильность, выше которой вход в измерительный канал закрыт. При ступенчатом изменении этого напряжения выбором соответствующего окна эмиссии может быть значительно повышена точность измерения;
2) использованием эмиссионного канала в качестве DMS-фильтра, при этом вход в измерительный канал может быть разрешен только таким ионам, которые проходят через асимметричное электрическое поле, установленное относительно каждого компенсирующего напряжения, времени и величине поля DMS-фильтра.
Вышеупомянутый способ также может быть видоизменен, и это изменение может быть направлено на увеличение скорости измерения.
Фиг. 4 показывает один альтернативный вариант исполнения конструкции барьерной пластины предварительного фильтра 14. Корпус датчика помечен ссылочной поз. 20. В варианте исполнения по фиг. 4 ионы ионизированы повсюду, и ионизированный воздух подается к каналу потока прямо перед барьерными пластинами (с левой стороны). На рисунке в этом макетном исполнении полоски 14.1 расположены с левой стороны относительно электрического поля. В конструкции, предназначенной для массового производства, эти пластины подсоединены к источнику напряжения посредством специальных соединительных гнезд или с помощью других отдельных точек подсоединения.
1-n
1
3
Фиг. 5 условно показывает принципиальную конструкцию второго порядка. Ионы J подходят к предварительному фильтру со всей площади канала потока, но покидают предварительный фильтр 14 только по центру. Для простоты на чертеже показаны только три измерительных канала е-е, то есть, измерительные полоски, в действительности их может быть больше.
Принципиальную конструкцию предварительного фильтра можно видеть на фиг. 6, на котором Е обозначает, в общем, электрическое поле, а цифра 6 у этой буквы означает, что в практическом устройстве каждое поле может иметь различную величину. Хотя в оптимальной ситуации поле (Е=0), наиболее близкое к центру, на самом деле, приложено такое, что величина напряженности электрического поля равна нулю, или же для рассматриваемого канала потока используется переменное электрическое поле. В этом случае эмиссионный канал обозначен ссылкой "а". Использование других полей связано с удалением ионов, а использование многоканальной конструкции, в свою очередь, имеет целью выравнивание тока в канале созданием равномерного сопротивления потоку по всему каналу.
Фиг. 7 показывает изолирующий пакет 20', а также поперечное сечение образованного внутри его канала 12 потока перед предварительным фильтром 14. На этом рисунке газ входит с левой стороны, проходит по каналу через предварительный фильтр 14 и выходит сквозь отверстие (не показано), выполненное в конце канала потока. Измерительные пластины, которые расположены над и под изолирующим пакетом 20 и закрывают конструкцию, на фиг. 7, не показаны. Иллюстрация показывает общую конструкцию системы, которая состоит из чередующихся изолирующих пластин и пластин, создающих электрическое поле.
С помощью постоянного электрического поля или переменного электрического поля ионы могут измеряться независимо от своего положения в одном или нескольких местах. Оба варианта описаны в литературе и в патентах. Вышеописанное техническое решение второго порядка может быть развито далее тем, что ионы могут генерироваться как можно более близко к месту измерения и направляться электрическим полем или механически посредством пластин, предназначенных для управления током, до их отбора. Эти средства предназначены для максимизации сигнала тока, создаваемого измеряемыми ионами.
На фиг. 8 представлена условная схема конструкции второго порядка, слегка отличная от предыдущего решения. В этом варианте исполнения ионы с различной полярностью направляются электрическим полем раздельно друг от друга. Этим преследуется цель уменьшения рекомбинации ионов и увеличения количества ионов, достигающих зону измерения, посредством чего измеряется электрический ток. Поскольку вследствие разделения полярности прибывающие ионы уводятся от центральной части, соответствующим образом расположена и эмиссионная щель.
Выше описана условная схема исполнения электромеханического варианта устройства второго порядка. Высота канала 12 потока может быть, например, 5 мм. Тогда источник излучения может быть расположен в канале потока (этап 1 - зона ионизации). На чертеже источник излучения условно показан ломаной линией. Сразу же после генерации ионы с различной полярностью электрическим полем отделяются друг от друга (этап 2 - предварительное разделение ионов по полярности). После разделения полярностей ионы с "измеряемой" полярностью немного смещаются от центральной части. Это делается для использования высокой скорости тока центральной части канала потока по большой площади.
Выполнение ионизации как можно более близко к зоне измерения мобильности максимизирует количество измеряемых ионов. Разделение полярностей уменьшает скорость рекомбинации, и это, вероятно, отчетливо влияет на увеличение количества ионов. Помимо своей основной задачи, предварительный фильтр (этап 3 - электрические барьерные поля ионов и эмиссионный канал а) действует как экран для альфа-частиц от источника излучения, то есть, он препятствует входу альфа-частиц в камеру измерения мобильности ионов (этап 4 - измерение мобильности ионов).
В дополнение к вышеописанным способам реализации конструкция второго порядка может быть исполнена как так называемая DMS-конструкция, в которой используется фильтр, предназначенный для создания второго порядка, чтобы создавать асимметричное высокочастотное электрическое поле с большой напряженностью. Сам по себе принцип DMS-измерения известен, но способ исполнения его вторым порядком - новый.
На фиг. 9 более подробно показан такой компонент спектроскопа ионной мобильности как датчик 20'', где этот чувствительный компонент разрезан в продольном направлении по измерительному каналу 12, а ионная камера 18 над ним разрезана в горизонтальном направлении.
В этом случае нижняя измерительная пластина 21 является частью большой печатной платы, в которой размещена остающаяся электронная часть устройства. Чувствительный компонент представляет собой многослойную конструкцию, в которой самой нижней является опорная плата 22, а над ней по порядку расположены: нижняя измерительная пластина 21, пластина 23 канала, верхняя измерительная пластина 24, а также толстая пластина 26 разъема.
Образцовый газ подается от разъема "впуск" в ионизационную камеру 18, в которой расположен выбранный источник 8 излучения (не показан). Ионизированный образцовый газ заводится мимо промежуточного разъема 19 в удлиненную измерительную камеру 12, работа которой будет пояснена ниже. Из измерительной камеры 12 образцовый газ удаляется через разъем "выпуск" - либо в окружающий воздух, либо - при замкнутом цикле отбора - назад в исходную точку.
1
2
3
1+
1-
Известным образом в измерительной камере 12 выполнены измерительные полоски (e, e, e), каждая в виде пары электродов (например, e и e), напряжение которых поддерживается постоянным, и в которых измеряется проходящий электрический ток.
На этом чертеже предварительный фильтр 14 в сечении не показан, он выступает из плоскости сечения остальной части конструкции. В то же время чертеж дает некоторое представление о ширине измерительной камеры 12. Как описано выше, предварительный фильтр 14 содержит тонкие металлические пластины, которые связаны с выбранными потенциалами. Пластины канала эмиссии, то есть, вообще говоря, наиболее близкие к центру пластины, заземлены. Напряжение подводится к этим пластинам с другой стороны (не показано).
Второе, более упрощенное исполнение спектрометра ионной мобильности показано на фиг. 10, на котором чувствительный компонент разрезан, как на фиг. 9. Компоненты, которые функционально подобны, обозначены теми же самыми ссылочными цифрами. Этими функционально подобными элементами являются:
- ионная камера 18, оборудованная разъемом "вход";
- измерительная камера 12;
- промежуточный разъем 19, соединяющий ионную камеру 18 с измерительной камерой 12;
- разъем "выход" на конце измерительной камеры 12;
- сборная конструкция из пластин, содержащая пластины 21, 22, 23, 24, 25 и 26, а дополнительно - новые пластины 22а и 24а-24d.
Многослойная конструкция подобна предыдущей, но пластины имеют одинаковую толщину, и вместо толщины удаленных пластин использованы более тонкие разделительные пластины. Предварительный фильтр 14 сформирован таким образом, что в выбранных точках пластин 21 и 24 выполнены шейки 16', идущие поперек измерительной камеры. В этих шейках на поверхности пластин, соответствующих пластинам 16 на фиг. 7 и 9, выполнены проводники. Эти электроды являются, таким образом, частью каждой печатной платы. Часть каналов, которых в данном случае три, образована между шейками 16'. Самый близкий к центру - эмиссионный канал (а), а два других - отсечные каналы. Электроды, генерирующие нулевое статическое электрическое поле, расположены либо внутри эмиссионного канала, либо снаружи изоляции. Электроды эмиссионного канала с каждой стороны могут быть либо раздельными, либо общими по парам с ближайшими электродами отсечного канала.
Многослойная конструкция на практике может быть выполнена множеством других способов. Центральным признаком этой конструкции являются пространства каналов и электроды. Измерительная камера 12 после предварительного фильтра 14 сужается и становится каналом 12', который даже уже, чем эмиссионный канал а. В канале 12', как и ранее, есть разделительные электроды (не показаны), их высота составляет около 20% (обычно 10-30%) от высоты предварительного фильтра, а ширина остается той же самой. Эта конструкция оказалась удивительно функциональной и устойчивой. Поток эмиссии сужается между потоками отсечки, идущими от краев, и вместе они становятся более широкими, не смешиваясь с измерительным каналом 12'. После этого ионы могут быть точно направлены в узкую часть меньшего сечения измерительного канала, и достигается их точное дистанционное разделение. Такое разделение "работает" хорошо при низком напряжении, поскольку поперечное расстояние мало (0,2-1 мм, предпочтительно 0,4-0,7 мм). Вообще говоря, содержащий ионы эмиссионный поток может быть точно направлен в выбранную точку в меньшем поперечном сечении с использованием одного или двух отсечных каналов.
Фиг. 11 в упрощенном виде показывает еще один вариант исполнения. В измерительной камере равномерной толщины есть предварительный фильтр, в котором длина пластин 16а отсечного канала находится в обратном соотношении с распределением скорости, то есть, длина пластин уменьшается в направлении к эмиссионному каналу. Кроме того, пластины эмиссионного канала а являются несколько выступающими относительно других пластин пакета. Это используется для управления формой электрического поля и распределением скоростью тока. Разделение производится таким же самым образом, как и описано выше.
В вышеописанном варианте исполнения в качестве скорости тока образцового газа используется скорость 1-3 литра в минуту.