專利名稱：面陣離子存儲系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用離子遷移技術(shù)檢測毒品和爆炸物的探測裝置 的離子存儲系統(tǒng)和方法，屬于安全檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
離子遷移譜儀是根據(jù)不同離子在均勻弱電場下漂移速度的不同而 實現(xiàn)對離子的分辨。離子存儲的使用使離子遷移譜儀靈敏度達到皮克
級左右，現(xiàn)有的離子存儲例如美國專利5200614和中國專利 200310106393.6都存在由于電場邊界條件不好產(chǎn)生了離子損失。
質(zhì)譜所采用的離子阱通常由兩邊的端電極和中間孔電極組成，調(diào) 節(jié)兩個端電極和中間孔電極上施加的電壓來實現(xiàn)離子的存儲和引出。 接近質(zhì)譜所采用的離子阱的美國專利6124592，所提供的單離子存儲 方法在大直徑的電離區(qū)和遷移區(qū)情況下，由于要滿足存儲電勢要求， 存儲區(qū)較大，離子推出所走的路程較長，所以要求較長的開門時間和 較高的電壓，且不同離子進入遷移區(qū)起點和不一致性較大。
另外，美國專利6933498提供的面陣存儲提高了離子存儲效率。 但是，由于在端電極和和中間電極之間夾著帶有與離子阱一一對應(yīng)的 孔的絕緣體，使得離子會與絕緣體碰撞而造成電荷轉(zhuǎn)移和堆積然后放 電，從而造成離子存儲的不穩(wěn)定，影響到靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種 離子遷移譜儀的面陣離子存儲系統(tǒng)和方法，能夠較好地提高靈敏度和 分辨率。
在本發(fā)明的一個方面，提出了一種面陣離子存儲系統(tǒng)，包括離
4子產(chǎn)生部分；離子存儲部分，包括與離子產(chǎn)生部分電連接的第一端 電極，形成為具有多個孔；第二端電極，形成為具有多個孔；中間電 極，形成為具有多個孔；第一絕緣體，形成為環(huán)狀，夾在第一端電極 和中間電極之間，且使得二者絕緣；第二絕緣體，形成為環(huán)狀，夾在 中間電極和第二端電極之間，且使得二者絕緣。
優(yōu)選地，所述中間電極的孔的直徑D1是存儲部分的厚度L2的1到2倍。
優(yōu)選地，￡)1 = V^2。
優(yōu)選地，所述離子產(chǎn)生部分包括以下至少之一鎳63、電暈放電
源、激光、紫外光、x射線。
優(yōu)選地，所述離子產(chǎn)生部分和所述第一端電極上施加第一電壓， 所述中間電極上施加第二電壓，而所述第二端電極上施加固定電壓。
優(yōu)選地，該面陣離子存儲系統(tǒng)還包括與所述第二端電極間隔開設(shè) 置的多個環(huán)電極，其中所述多個環(huán)電極上施加均勻變化的電壓。
優(yōu)選地，所述第一電壓和第二電壓能夠浮動并且它們之間存在電 壓差。
在本發(fā)明的另一方面，提出了一種用于面陣離子存儲系統(tǒng)的方 法，所述面陣離子存儲系統(tǒng)包括離子產(chǎn)生部分；離子存儲部分，包 括與離子產(chǎn)生部分電連接的第一端電極，形成為具有多個孔；第二
端電極，形成為具有多個孔；中間電極，形成為具有多個孔；第一絕 緣體，形成為環(huán)狀，夾在第一端電極和中間電極之間，且使得二者絕 緣；第二絕緣體，形成為環(huán)狀，夾在中間電極和第二端電極之間，且 使得二者絕緣；所述方法包括存儲步驟，在所述離子產(chǎn)生部分和所 述第一端電極上施加第一電壓，所述中間電極上施加第二電壓，所述 第二電壓為帶有直流偏置的射頻電壓，而所述第二端電極上施加固定 電壓，所述第一電壓和第二電壓的直流偏置電壓之間存在電壓差，以 在中間電極處形成存儲離子的存儲空間；引出步驟，改變第一電壓和 第二電壓，以將存儲在存儲空間中的離子引出。
本發(fā)明由于采用上述方案，對于普通的離子遷移譜儀，在滿足離
子存儲所要求的電壓條件和在不降低存儲效率的前提下，將離子存儲
5部分作的比較薄，方便離子的引出的一致性，減小了離子遷移譜峰的 展寬，對分辨率有益。
另外，由于第一絕緣體和第二絕緣體的絕緣材料形成為具有一個 大孔，離子在存儲空間震蕩或熱運動的時候，不能夠與兩邊的絕緣材 料碰撞，不會造成電荷轉(zhuǎn)移和絕緣體上的電荷堆積放電造成的存儲不 穩(wěn)和離子損失。
在離子存儲階段，所需收集的正或負(fù)離子在電場的作用下漂移到 面陣存儲部分的中間電極處，在此形成了多個無電場區(qū)即離子存儲空 間。在離子導(dǎo)出階段，改變離子產(chǎn)生部分和面陣離子存儲部分的一個 端電極和中間電極的電壓，將離子從存儲區(qū)推到遷移區(qū)，隨即整體電 壓恢復(fù)到存儲狀態(tài)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的面陣離子存儲系統(tǒng)的剖面示意圖； 圖2是如圖1所示系統(tǒng)中的電離區(qū)和面陣存儲區(qū)的剖面示意圖； 圖3A到圖3F是如圖2所示的電離區(qū)和面陣存儲區(qū)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示 意圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)在正離子模式時的各電極電勢示 意圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)在正離子模式時的各電極的電壓 隨時間變化的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明既 可工作在負(fù)離子模式也可工作在正離子模式，為方便起見，本文僅介 紹正離子模式的情形。
參看圖1和圖2,根據(jù)本發(fā)明實施例的面陣離子存儲系統(tǒng)包括依 次排列的離子產(chǎn)生部分l、面陣存儲部分2、 一組環(huán)電極3、法拉第盤 4等。
離子產(chǎn)生部分1是電離源，它可以為源如鎳63、電暈放電、激光、
6紫外光、X射線等源。
如圖2所示，離子產(chǎn)生部分1和面陣存儲部分2做成一體，包含
依次排列的形狀如圖3A所示的一網(wǎng)電極5，形狀如圖3B所示帶有多 個孔的第一端電極6，形狀如圖3C所示的第一環(huán)狀絕緣體7，形狀如 圖3D所示的帶有多個孔的中間電極8，形狀如圖3E所示的第二環(huán)狀 絕緣體9，形狀如圖3F所示的帶有多個孔的第二端電極10。
如圖2和3所示，兩個端電極6和10和中間電極8的上多個孔一 一對應(yīng)地設(shè)置，兩個絕緣體7和9僅僅在外周部分將第一和第二端電 極6和10與中間電極8隔開并且電絕緣，而第一和第二絕緣體7和9 中的中間僅為一個大孔，從而形成環(huán)狀絕緣體。這樣，由于兩邊的絕 緣材料為一個大孔，離子在存儲空間震蕩或熱運動的時候，不能夠與 兩邊的絕緣材料碰撞，不會造成電荷轉(zhuǎn)移和絕緣體上的電荷堆積放電 造成的存儲不穩(wěn)和離子損失。
另外，離子產(chǎn)生部分1與面陣存儲部分2的一側(cè)機械并電性相連。 離子存儲部分2形成為比較薄的形式，方便離子的引出的一致性，減 小了離子遷移譜峰的展寬。離子產(chǎn)生部分1和面陣存儲部分2的第一 端電極6、中間電極8加上的電壓存在一定的電壓差且可以浮動，面 陣存儲部分2的第二端電極10加上施加固定電壓，而環(huán)電極3加上均 勻遞減的電壓形成遷移區(qū)。
上述端電極中形成的孔的形狀為最好圓孔，當(dāng)然包含各種樣式的 孔，如六邊形孔、方形孔等，最好滿足D1等于1 2倍的L2， L2小 于5mm，優(yōu)選Z)1-V^2，其中Dl為中間電極8的孔直徑或者其他形 狀時的有效孔直徑，L2為兩片端電極6和10的間距，根據(jù)實際情況 選擇合適的L1和L2。
參看圖2和圖4，附圖標(biāo)記11表示離子產(chǎn)生部分1和第一端電極 6上施加的電壓，附圖標(biāo)記12表示中間電極8上所施加的射頻電壓的 直流偏置，并且電壓11和12能夠浮動。另外，在第二端電極10加上 固定電壓13。第二端電極10和環(huán)電極3施加上均勻遞減的電壓14以 形成遷移區(qū)。圖4中所示的虛線為離子引出時各節(jié)點的電壓，實線為 存儲階段各節(jié)點的電壓，實線14為遷移區(qū)各點電壓，它在存儲和引出
7時保持固定不變。
在離子存儲階段，在第一端電極6和第二端電極10上施加上相等 的電壓11，中間電極8上施加直流偏置電壓比電壓U低的射頻電壓
12。這樣，正離子將移動到形成的勢阱12處進行存儲，并且可以調(diào)節(jié) 電壓12的偏置電壓、射頻電壓的頻率和幅度形成合適的勢阱深度。換 言之，在離子存儲階段，所需收集的正或負(fù)離子在電場的作用下漂移 到面陣存儲部分2的中間電極8處，在此形成形成了多個無電場區(qū)即 離子存儲空間。
當(dāng)將第一端電極6和中間電極8上所施加的電壓11和12從實線 提高到如虛線所示的電壓時，并關(guān)掉12的射頻電壓成分，離子被導(dǎo)入 到遷移區(qū)進行漂移、分辨，隨后整體電壓恢復(fù)到存儲狀態(tài)時的電壓。
參看圖5，附圖標(biāo)記15表示離子產(chǎn)生部分1和第一端電極6上所 施加的電壓隨時間的變化波形，附圖標(biāo)記16表示中間電極8上施加的 電壓所時間的變化波形，附圖標(biāo)記17表示第二端電極10上所施加的 電壓隨時間變化的波形。
在存儲階段時，離子產(chǎn)生部分1和第一端電極6上所施加的電壓 15和第二端電極10上所施加的電壓17相等并高于中間電極8上施加 的電壓16，圖5右上角的放大圖表示直流偏置電壓所疊加的射頻波形， 可以是方波、正弦波、鋸齒波等，離子在中間電極8的多個零電場區(qū) 進行存儲。
在離子引出階段，離子產(chǎn)生部分1和第一端電極6上施加的電壓 15和中間電極8上所施加的電壓16均高于第二端電極IO上施加的電 壓17，且此時電壓16去掉了交流分量，離子被推出存儲區(qū)進入遷移 區(qū)。
本發(fā)明由于采用上述方案，對于普通的離子遷移譜儀，在滿足離 子存儲所要求的電壓條件以及在不降低存儲效率的前提下，將離子存 儲部分作的比較薄，方便離子的引出的一致性，減小了離子遷移譜峰 的展寬，對分辨率有益。
另外，由于第一絕緣體7和第二絕緣體9的絕緣材料具有方便離 子運動的大孔，使得離子在存儲空間震蕩或熱運動的時候，不能夠與
8兩邊的絕緣材料碰撞，因而不會造成電荷轉(zhuǎn)移和絕緣體上的電荷堆積 放電造成的存儲不穩(wěn)和離子損失。
在離子存儲階段，要收集的正或負(fù)離子在電場的作用下漂移到面 陣存儲部分2的中間電極8處，在此形成了多個無電場區(qū)即離子存儲 空間。在離子導(dǎo)出階段，改變離子產(chǎn)生部分1和面陣離子存儲部分2
的第一端電極6的電壓和中間電極8的電壓，將離子從存儲區(qū)推到遷
移區(qū)，隨即整體電壓恢復(fù)到存儲狀態(tài)。
要說明的是，以上實施例僅用于說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案， 盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人
員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本 發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán) 利要求范圍當(dāng)中。
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權(quán)利要求
1、一種面陣離子存儲系統(tǒng)，包括離子產(chǎn)生部分(1)；離子存儲部分(2)，包括與離子產(chǎn)生部分(1)電連接的第一端電極(6)，形成為具有多個孔；第二端電極(10)，形成為具有多個孔；中間電極(8)，形成為具有多個孔；第一絕緣體(7)，形成為環(huán)狀，夾在第一端電極(6)和中間電極(8)之間，且使得二者絕緣；第二絕緣體(9)，形成為環(huán)狀，夾在中間電極(8)和第二端電極(10)之間，且使得二者絕緣。
2、 如權(quán)利要求1所述的面陣離子存儲系統(tǒng)，其中所述中間電極(8) 的孔的直徑D1是兩端電極間距L2的1到2倍。
3、 如權(quán)利要求2所述的面陣離子存儲系統(tǒng)，其中/)1 = 7^2。
4、 如權(quán)利要求l所述的面陣離子存儲系統(tǒng)，其中所述離子產(chǎn)生部 分(1)包括以下至少之一鎳63、電暈放電源、激光、紫外光、X射 線。
5、 如權(quán)利要求l所述的面陣離子存儲系統(tǒng)，其中所述離子產(chǎn)生部 分(1)和所述第一端電極(6)上施加第一電壓，所述中間電極(8) 上施加第二電壓，而所述第二端電極(10)上施加固定電壓。
6、 如權(quán)利要求5所述的面陣離子存儲系統(tǒng)，還包括與所述第二端 電極(10)間隔開設(shè)置的多個環(huán)電極(3)，其中所述多個環(huán)電極(3) 上施加均勻變化的電壓。
7、 如權(quán)利要求5所述的面陣離子存儲系統(tǒng)，其中所述第一電壓和 第二電壓能夠浮動并且它們之間存在電壓差。
8、 一種用于面陣離子存儲系統(tǒng)的方法，所述面陣離子存儲系統(tǒng)包括離子產(chǎn)生部分(1); 離子存儲部分(2)，包括與離子產(chǎn)生部分(1)電連接的第一端電極(6)，形成為具 有多個孔；第二端電極(10)，形成為具有多個孔； 中間電極(8)，形成為具有多個孔；第一絕緣體(7)，形成為環(huán)狀，夾在第一端電極(6)和中 間電極(8)之間，且使得二者絕緣；第二絕緣體(9)，形成為環(huán)狀，夾在中間電極(8)和第二 端電極(10)之間，且使得二者絕緣； 所述方法包括存儲步驟，在所述離子產(chǎn)生部分(1)和所述第一端電極(6)上 施加第一電壓，所述中間電極(8)上施加第二電壓，所述第二電壓為 帶有直流偏置的射頻電壓，而所述第二端電極(10)上施加固定電壓， 所述第一電壓和第二電壓的直流偏置電壓之間存在電壓差，以在中間 電極(8)處形成存儲離子的存儲空間；引出步驟，改變第一電壓和第二電壓，以將存儲在存儲空間中的 離子引出。
全文摘要
公開了一種面陣離子存儲系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括離子產(chǎn)生部分；離子存儲部分，包括與離子產(chǎn)生部分電連接的第一端電極，形成為具有多個孔；第二端電極，形成為具有多個孔；中間電極，形成為具有多個孔；第一絕緣體，形成為環(huán)狀，夾在第一端電極和中間電極之間，且使得二者絕緣；第二絕緣體，形成為環(huán)狀，夾在中間電極和第二端電極之間，且使得二者絕緣。根據(jù)本發(fā)明，由于將離子存儲部分作的比較薄，方便離子的引出的一致性，減小了離子遷移譜峰的展寬。另外，由于第一絕緣體和第二絕緣體具有一個大孔，離子在存儲空間震蕩或熱運動的時候，避免了與兩邊的絕緣材料碰撞，從而防止造成電荷轉(zhuǎn)移和絕緣體上的電荷堆積放電造成的存儲不穩(wěn)和離子損失。
文檔編號H01J49/00GK101471221SQ200710304329
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者代主得, 張清軍, 華 彭, 李元景, 林德旭, 毛紹基, 陳志強 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司;清華大學(xué)