專利名稱：等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本本發(fā)明涉及一種等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀，是利用大氣 壓下離子在電場(chǎng)中的遷移特性來(lái)分離物質(zhì)的一種檢測(cè)裝置，
背景技術(shù)：
離子遷移譜常用離子源是放射源"Ni，它性能穩(wěn)定、體積小、不需外加電源， 但因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)的使用，使得儀器在購(gòu)買(mǎi)、使用、維護(hù)、管理和處置方面，要 遵守放射源管理法規(guī)，增加了用戶負(fù)擔(dān)，限制了設(shè)備的普遍使用。此外，63Ni 離子源產(chǎn)生的離子數(shù)密度一定， 一般在幾百個(gè)pA，導(dǎo)致Ni-IMS的檢測(cè)靈敏度和 動(dòng)態(tài)范圍有限。本發(fā)明用等離子體源，離子源電流在uA mA之間，離子強(qiáng)度 遠(yuǎn)高于放射源所產(chǎn)生的離子強(qiáng)度，可以提高儀器的探測(cè)靈敏度，本發(fā)明涉及的離 子遷移譜儀的檢測(cè)靈敏度可達(dá)到《50xl0^g。另外傳統(tǒng)的放射源的離子流不能改 變，本發(fā)明中的離子源可根據(jù)需要進(jìn)行離子流大小的調(diào)節(jié)。本發(fā)明涉及的等離子 體源無(wú)放射性，對(duì)人體無(wú)危害，易于儀器的使用、維護(hù)和管理以及市場(chǎng)推廣。
離子遷移譜對(duì)不同種類的物質(zhì)檢測(cè)時(shí)需要不同的工作方式。通常對(duì)爆炸物檢 測(cè)時(shí)采用負(fù)離子，對(duì)毒品和有機(jī)物檢測(cè)時(shí)采用正離子。常用的離子遷移譜儀只能 在單一離子極性下工作，儀器不能對(duì)同一樣品中的爆炸物、毒品和有機(jī)物進(jìn)行同 時(shí)檢測(cè)。本發(fā)明中的離子遷移譜儀為正負(fù)離子協(xié)同測(cè)量，可以對(duì)樣品中的痕量爆 炸物、毒品和有機(jī)物實(shí)施快速同時(shí)檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀， 用大氣壓放電產(chǎn)生等離子體，等離子體中的正離子或負(fù)離子與待測(cè)物質(zhì)之間的離 子一分子反應(yīng)將待測(cè)量物質(zhì)離子化，借助正/負(fù)離子在電場(chǎng)中的遷移分離實(shí)現(xiàn)待 測(cè)物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)，是一種痕量爆炸物、毒品和揮發(fā)性有機(jī)物快速檢測(cè)裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案
一種高效等離子體離子源，其特征在于等離子體源的產(chǎn)生方法是在陰、陽(yáng)兩
個(gè)金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電極形狀是針、棒、板、筒或者網(wǎng)狀， 放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量級(jí)；等離子體源的信號(hào)強(qiáng)度、產(chǎn) 生離子的極性可調(diào)節(jié)，形成強(qiáng)度大的正離子和負(fù)離子，以滿足痕量爆炸物、毒品 或揮發(fā)性有機(jī)物的高靈敏檢測(cè)。
等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀，其特征在于主要由等離子體 源、離子遷移管、氣體凈化驅(qū)動(dòng)、供電部件、信號(hào)探測(cè)單元和嵌入式控制顯示器 組成；等離子體源是在陰、陽(yáng)兩個(gè)金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電極形 狀是針、棒、板、筒或者網(wǎng)狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量 級(jí)；等離子體源的信號(hào)強(qiáng)度、產(chǎn)生離子的極性可調(diào)節(jié)，形成強(qiáng)度大的正離子和負(fù) 離子，能夠進(jìn)行正負(fù)離子協(xié)同測(cè)量，同時(shí)檢測(cè)爆炸物、毒品和有機(jī)物。
本發(fā)明等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，待測(cè) 物質(zhì)在載氣帶動(dòng)下由進(jìn)樣口進(jìn)入到反應(yīng)區(qū)，等離子源中的反應(yīng)離子將被測(cè)物質(zhì)離 子化，形成的產(chǎn)物離子進(jìn)入到遷移區(qū)，運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后到達(dá)離子檢測(cè)器被探測(cè)， 經(jīng)軟件分析處理，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比和運(yùn)算，最后在顯示器上給出被測(cè)物質(zhì)的成分 和濃度，并能給出聲音報(bào)警。
等離子體源用于產(chǎn)生初始反應(yīng)離子，當(dāng)儀器為正離子檢測(cè)方式時(shí)，主要反應(yīng) 離子為iT(H20)n;在負(fù)離子工作方式時(shí)，主要反應(yīng)離子為02—(H20)n。本發(fā)明提 供的等離子體離子源電極結(jié)構(gòu)可以是針、棒、板、筒或者網(wǎng)狀，陰極和陽(yáng)極由金 屬材料組成，電極距離在mm cm之間，產(chǎn)生穩(wěn)定等離子體的電極電壓在幾百到 幾千伏，電流在微安到毫安量級(jí)。
等離子體源產(chǎn)生的電流可以通過(guò)可調(diào)鎮(zhèn)流電阻調(diào)節(jié)。當(dāng)鎮(zhèn)流電阻的阻值為 50-100kQ時(shí)，兩電極間產(chǎn)生的放電電流在pA量級(jí)。當(dāng)鎮(zhèn)流電阻的阻值在 10-100MQ時(shí)，兩電極之間的放電電流在mA量級(jí)。
離子源產(chǎn)生的反應(yīng)離子R"在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入到遷移管中的反應(yīng)區(qū)，與進(jìn) 入反應(yīng)區(qū)的中性待測(cè)物質(zhì)發(fā)生離子-分子反應(yīng)，將被測(cè)物質(zhì)分子電離為離子M+/—， 當(dāng)遷移管中的離子門(mén)開(kāi)啟時(shí)，離子進(jìn)入到遷移管中的遷移分離區(qū)，遷移管由多個(gè) 被絕緣環(huán)間隔開(kāi)的金屬環(huán)組成，相鄰環(huán)之間連接阻值相同的電阻，遷移管兩端加 上一定的電壓后，在遷移分離區(qū)內(nèi)形成一個(gè)200~400V/cm的電場(chǎng)，離子在電場(chǎng) 作用下運(yùn)動(dòng)到探測(cè)區(qū)被檢測(cè)，離子信號(hào)送入嵌入式系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理以及與數(shù)據(jù) 庫(kù)比較，得到所測(cè)物質(zhì)的種類和濃度。
本發(fā)明中為正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀提供電壓的供電單元為自行研 制高壓電源。電源的輸出電壓在0 土20.0kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，高壓的調(diào)節(jié)由軟 件實(shí)現(xiàn)，輸入D/A轉(zhuǎn)換+5V -5V對(duì)應(yīng)+20 -20kV的調(diào)節(jié)電壓，電源允許的最 高電流為10mA。
當(dāng)儀器進(jìn)行正離子檢測(cè)時(shí)，遷移管起始端為正高壓，圖2是正離子檢測(cè)丙醛 時(shí)獲得的離子遷移譜圖，圖3是檢測(cè)對(duì)二甲苯時(shí)獲得的離子遷移譜圖，圖4是檢
測(cè)易制毒品丙酮時(shí)獲得的遷移譜圖。當(dāng)進(jìn)行負(fù)離子檢測(cè)時(shí)，遷移管起始端為負(fù)高 壓，圖5是負(fù)離子檢測(cè)爆炸物梯恩梯(TNT)時(shí)獲得的遷移譜圖。
離子遷移譜儀測(cè)量原理
在離子遷移譜中，離子源區(qū)產(chǎn)生的反應(yīng)離子H+(H20)n或02—(H20)n進(jìn)入到反 應(yīng)區(qū)中與被測(cè)物質(zhì)M發(fā)生的離子一分子反應(yīng)
<formula>formula see original document page 5</formula>(正檢測(cè)模式) (1)
<formula>formula see original document page 5</formula> (負(fù)檢測(cè)模式) (2)
形成的產(chǎn)物離子進(jìn)入到遷移管的遷移分離區(qū)，在電場(chǎng)作用下作遷移運(yùn)動(dòng)。離 子在電場(chǎng)中的遷移速度v遵從規(guī)律
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
其中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，K為離子遷移率，其表達(dá)式為-
<formula>formula see original document page 5</formula>(4)
式中，Z、 e，分別為離子所帶的電荷數(shù)和電子電量；N為中性遷移氣體的數(shù) 密度；p為離子m和遷移氣體分子M的約化質(zhì)量；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為遷 移氣體的溫度；Q為離子分子的碰撞截面。
如果離子在電場(chǎng)中遷移的距離為L(zhǎng)，所用的時(shí)間為t，根據(jù)方程(3),則有
<formula>formula see original document page 5</formula>
通常將K轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)條件下的約化遷移率K0
儀器檢測(cè)中，提取離子峰出現(xiàn)時(shí)間，由(5)和(6)式計(jì)算約化遷移率，通過(guò)與數(shù)據(jù) 庫(kù)比較和校準(zhǔn)計(jì)算，來(lái)確定所測(cè)物質(zhì)的種類和濃度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明離子源信號(hào)強(qiáng)度大，正/負(fù)離子協(xié)同工作，因此探測(cè)靈敏度好，分辨 率高，測(cè)量速度快，并且儀器體積小，操作簡(jiǎn)便。適用于痕量爆炸物、毒品和有 機(jī)物的快速在線檢測(cè)與報(bào)警。與傳統(tǒng)的離子遷移譜中放射源相比，等離子體源優(yōu) 點(diǎn)是無(wú)放射性，儀器使用、維護(hù)和管理方便，并且探測(cè)靈敏度和檢測(cè)準(zhǔn)確性高。


圖1是等離子源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的儀器檢測(cè)有機(jī)物丙醛的離子遷移譜圖。
圖3是本發(fā)明的儀器檢有機(jī)物測(cè)對(duì)二甲苯的離子遷移譜圖。 圖4是本發(fā)明的儀器探測(cè)易制毒品丙酮的離子遷移譜圖。 圖5是本發(fā)明的儀器探測(cè)爆炸物梯恩梯離子遷移譜圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1。
等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀，和傳統(tǒng)的離子遷移譜儀的區(qū)別 在于使用非放射性的等離子體源作為儀器的離子源，并且可以進(jìn)行正負(fù)協(xié)同測(cè) 量。包括離子遷移管、氣體凈化驅(qū)動(dòng)部件、供電部件、信號(hào)探測(cè)單元和數(shù)據(jù)處理 與顯示裝置。
下面以測(cè)量爆炸物為例，介紹儀器的具體檢測(cè)方式。
首先使用取樣紙擦拭被測(cè)物品表面，將取樣紙送入到儀器的進(jìn)樣口，進(jìn)樣口 對(duì)取樣紙進(jìn)行加熱，將附著在取樣紙表面的爆炸物進(jìn)行高溫氣化，氣化后的爆炸
物成分在流量為300mL/min的載氣帶動(dòng)下進(jìn)入到離子遷移管中的反應(yīng)區(qū)，被電 離并經(jīng)過(guò)分離區(qū)后到達(dá)最后的探測(cè)器被探測(cè)，探測(cè)區(qū)中的放大器將離子探測(cè)板上 的離子流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析部分，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)合氣體溫度、壓力等參數(shù)，通 過(guò)與先期建立的包括爆炸物離子數(shù)量、種類、各自遷移率的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較并通 過(guò)相關(guān)運(yùn)算，以及與爆炸物離子強(qiáng)度一濃度之間的標(biāo)定關(guān)系的計(jì)算，得到最終的 檢測(cè)結(jié)果，最終的離子信號(hào)譜圖由終端的彩色LCD液晶顯示屏顯示和并給出報(bào) 警信號(hào)。
權(quán)利要求
1、一種高效等離子體離子源，其特征在于等離子體源的產(chǎn)生方法是在陰、陽(yáng)兩個(gè)金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電極形狀是針、棒、板、筒或者網(wǎng)狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量級(jí)；等離子體源的信號(hào)強(qiáng)度、產(chǎn)生離子的極性可調(diào)節(jié)，形成強(qiáng)度大的正離子和負(fù)離子，以滿足痕量爆炸物、毒品或揮發(fā)性有機(jī)物的高靈敏檢測(cè)。
2、 等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀，其特征在于主要由等離子體源、 離子遷移管、氣體凈化驅(qū)動(dòng)、供電部件、信號(hào)探測(cè)單元和嵌入式控制顯示器 組成；等離子體源是在陰、陽(yáng)兩個(gè)金屬電極間施加電壓，形成等離子體；電 極形狀是針、棒、板、筒或者網(wǎng)狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安 到毫安量級(jí)；等離子體源的信號(hào)強(qiáng)度、產(chǎn)生離子的極性可調(diào)節(jié)，形成強(qiáng)度大 的正離子和負(fù)離子，能夠進(jìn)行正負(fù)離子協(xié)同測(cè)量，同時(shí)檢測(cè)爆炸物、毒品和 有機(jī)物。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種等離子體源正負(fù)離子協(xié)同檢測(cè)離子遷移譜儀。其等離子體源具有陰、陽(yáng)兩個(gè)金屬電極，在兩極間施加電壓，便可產(chǎn)生等離子體；電極形狀是針、棒、板、筒或者網(wǎng)狀，放電電壓在幾百到幾千伏，電流在微安到毫安量級(jí)。本發(fā)明離子源信號(hào)強(qiáng)度大，正/負(fù)離子協(xié)同工作，因此探測(cè)靈敏度好，分辨率高，測(cè)量速度快，并且儀器體積小，操作簡(jiǎn)便。適用于痕量爆炸物、毒品和有機(jī)物的快速在線檢測(cè)與報(bào)警。與傳統(tǒng)的離子遷移譜中放射源相比，等離子體源優(yōu)點(diǎn)是無(wú)放射性，儀器使用、維護(hù)和管理方便，并且探測(cè)靈敏度和檢測(cè)準(zhǔn)確性高。
文檔編號(hào)G01N27/64GK101339160SQ20081002255
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者儲(chǔ)焰南, 徐國(guó)華, 虎 李, 李建權(quán), 江海河, 沈成銀, 王鴻梅, 鄭培超, 韓海燕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所