本發(fā)明涉及用于生成受控離子流，且具體而言是生成受控組成、強(qiáng)度和調(diào)制的離子流的設(shè)備和方法的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

已知用于生成離子流(也稱為“離子流”)的離子源設(shè)備和/或系統(tǒng)，其提供在真空壓力下的環(huán)境中的氣體分子的電離(例如，通過(guò)由包括在系統(tǒng)中的源生成的電子)和電離分子的提取，其軌跡被控制以形成發(fā)射的離子束。

但是，在這種已知的離子源中，發(fā)射的離子束通常未被精確控制，因?yàn)榫筒煌瑲怏w物質(zhì)的離子濃度而言，既不能精確地控制光束的強(qiáng)度也不能精確地控制其組成。此外，這些離子源不能有效地調(diào)制所生成的離子束。

另一方面，在許多應(yīng)用中，例如，在氣體組成的分析領(lǐng)域中和/或在通過(guò)排出氣體的分析的工業(yè)處理控制領(lǐng)域中，需要這樣的離子流生成設(shè)備，其能夠以高精度生成強(qiáng)度和組成受控的離子流，同時(shí)具有容易定位和安裝的尺寸(因此，需要便攜式設(shè)備)，并且具有與在潛在領(lǐng)域應(yīng)用的合理使用相兼容的成本。

上述已知系統(tǒng)不能滿足這樣的需要。

在已知的系統(tǒng)中，例如，可通過(guò)控制電離電子的發(fā)射強(qiáng)度來(lái)控制強(qiáng)度。但是，對(duì)可獲得的發(fā)射離子束的強(qiáng)度的控制不是最佳的，因?yàn)檫@樣的強(qiáng)度還取決于電離區(qū)中的壓力。

事實(shí)上，利用已知的離子束源，離子束的調(diào)制(例如通過(guò)頻率高達(dá)幾十KHz的開(kāi)/關(guān)周期)是不可能的。理論上，可以通過(guò)重復(fù)地接通和關(guān)斷源來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這種解決方案實(shí)際上對(duì)于期望的頻率和合理的可靠性水平是不切實(shí)際的。

關(guān)于所生成的離子束的組成的控制，情況甚至更復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)組成的這樣的控制，理論上可以通過(guò)控制存在于電離區(qū)中的氣體組成來(lái)控制輸出離子束的組成。但是，這將需要構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，其包括至少在電離區(qū)中的氣流的注入器，測(cè)量和校準(zhǔn)氣體組成的復(fù)雜裝置，以及泵，用于從電離區(qū)提取氣體以便將其保持在真空壓力，并且當(dāng)存在輸入氣流時(shí)，滿足電離區(qū)中的必要要求。

這樣的用于生成離子流的系統(tǒng)將明顯地與期望的便攜式設(shè)備非常不同，并且將是如此復(fù)雜，龐大和昂貴，從而對(duì)于潛在應(yīng)用的大部分而言實(shí)際上是不可接受的。

此外，甚至這樣的系統(tǒng)也不能確保輸出離子流的組成中的足夠的精確度，因?yàn)椴荒鼙ＷC對(duì)于存在于電離區(qū)中的不同氣體物質(zhì)以精確統(tǒng)一的方式進(jìn)行朝向外部的泵送。

因此，現(xiàn)有技術(shù)不能滿足具有用于生成在強(qiáng)度、調(diào)制和組成上精確受控的離子流，并且同時(shí)是便攜式、通用性、易于安裝、可靠且相對(duì)便宜的設(shè)備的需要。

鑒于上述，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)和提供用于生成受控離子流的設(shè)備和相關(guān)的離子流生成方法，其被改進(jìn)以滿足上述需要，并且能夠至少部分地克服以上參考已知技術(shù)描述的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在從屬權(quán)利要求2至15中限定了該設(shè)備的其他實(shí)施例。

通過(guò)使用本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行的生成離子流的方法在權(quán)利要求16中限定。

通過(guò)使用本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行的生成離子流的進(jìn)一步方法在權(quán)利要求17和18中限定。

附圖說(shuō)明

用于生成受控離子流的設(shè)備以及使用這樣的設(shè)備的方法的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將參考附圖從以下作為非限制性實(shí)例提供的優(yōu)選實(shí)施例的描述中得出，其中：

-圖1至3是與根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的相應(yīng)實(shí)施例相關(guān)的簡(jiǎn)化功能圖；

-圖4和5示出了包括在設(shè)備的實(shí)施例中的氣流調(diào)節(jié)接口的細(xì)節(jié)，其中，這種調(diào)節(jié)接口的納米孔分別被打開(kāi)和關(guān)閉；

-圖6是根據(jù)實(shí)施例的設(shè)備的一部分的透視圖；

-圖7和8分別是根據(jù)實(shí)施例的設(shè)備的另一部分的俯視圖和透視圖；

-圖9示出了包括圖7和圖8中所示部分的設(shè)備的透視圖；

-圖10示出了圖9的設(shè)備的局部分解截面圖；

-圖11示出了根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例的設(shè)備的分解圖。

具體實(shí)施方式

參考圖1至11，具體地，參考圖1的功能圖，描述了用于生成受控離子流I的設(shè)備1。

設(shè)備1是便攜式的，并且包括電離室6、至少一個(gè)入口構(gòu)件2和至少一個(gè)離子出口構(gòu)件3。

電離室6適于保持在真空壓力下，并且被配置為電離包含在其中的氣體顆粒(即，氣體分子，或更一般地，揮發(fā)性物質(zhì))。

至少一個(gè)入口構(gòu)件2被配置為抑制或允許和/或調(diào)節(jié)所述氣體顆粒的氣流Fi在電離室中的入口。此外，至少一個(gè)入口構(gòu)件2包括氣流調(diào)節(jié)接口22，氣流調(diào)節(jié)接口22具有多個(gè)亞微米(即，亞微米)尺寸的納米孔20，其適于以受控的方式被打開(kāi)或關(guān)閉，以抑制或允許相應(yīng)的多個(gè)氣體微流通過(guò)至少一個(gè)入口構(gòu)件2。

至少一個(gè)離子出口構(gòu)件3被配置為抑制或允許和/或調(diào)節(jié)輸出氣流Fo和所生成的離子的離開(kāi)電離室6的離子流I。至少一個(gè)出口構(gòu)件3包括孔口30，適于以受控方式被打開(kāi)或關(guān)閉的，以便控制輸出氣流Fo的輸出傳導(dǎo)性。

根據(jù)實(shí)施例，設(shè)備1還包括控制裝置4。

控制裝置包括入口致動(dòng)裝置25，被配置為以受控方式致動(dòng)至少一個(gè)入口構(gòu)件2；和出口致動(dòng)裝置35，被配置為以受控方式致動(dòng)至少一個(gè)出口構(gòu)件3。

入口致動(dòng)裝置25和出口致動(dòng)裝置35可分別布置在入口構(gòu)件2和出口構(gòu)件3中。

控制裝置4還包括電子處理裝置40，被配置為控制入口致動(dòng)裝置25，以便選擇性地打開(kāi)或關(guān)閉所述多個(gè)納米孔20，并被配置為控制出口致動(dòng)裝置35，以便可控地關(guān)閉或打開(kāi)孔口30。

根據(jù)該設(shè)備的實(shí)施例，每個(gè)納米孔20被配置為，當(dāng)打開(kāi)時(shí)，甚至在大氣壓力或更高的條件下也允許在分子或主要分子狀態(tài)下的氣體微流通過(guò)，以及在關(guān)閉時(shí)抑制所述氣體微流，使得通過(guò)至少一個(gè)入口構(gòu)件2的總氣流是通過(guò)打開(kāi)的納米孔的在分子或主要分子狀態(tài)下的微流的總和。

根據(jù)通常使用的命名法，術(shù)語(yǔ)“在分子狀態(tài)下的流”是指這樣的氣流，在該氣流中，氣體顆粒的(即，氣體分子的)平均自由路徑λ的尺寸可比得上或大于其所在的通道或容器的尺寸D，由此每個(gè)顆粒的路徑幾乎是自由的并且相對(duì)于其他顆粒是獨(dú)立的。

關(guān)于流的分類(lèi)，通常接受的定義與將“在分子狀態(tài)下的流”定義為其中參數(shù)D/λ可比得上或小于1的流一致。

此外，“在主要分子狀態(tài)下的流”被定義為其中參數(shù)D/λ為幾個(gè)單位的數(shù)量級(jí)的流(例如，通常﹤10)：事實(shí)上，在這樣的條件下，雖然嚴(yán)格地說(shuō)，顆粒之間的碰撞沒(méi)有降低到零，但大多數(shù)顆粒在大多數(shù)時(shí)間處于分子狀態(tài)條件下。

例如，由A.Roth，NHPC于1976年出版的書(shū)“Vacuum Technology(真空技術(shù))”的第2章和第3章可被認(rèn)為是關(guān)于該主題的權(quán)威理論參考。

顯然，平均自由路徑λ也取決于壓力和溫度的條件；具體而言，其與以開(kāi)爾文測(cè)量的溫度成正比，并且與壓力成反比(見(jiàn)上面提到的參考文本“Vacuum Technology”中公式2.56)。假設(shè)閥系統(tǒng)的有效使用條件是在環(huán)境溫度條件(例如，在273°K和313°K之間的范圍內(nèi))，或者在不同的溫度下，只要基本上恒定，則壓力結(jié)果成為基本參數(shù)。

在真空壓力(例如，低于1mbar)和甚至更高的真空(例如，低于10^-3mbar)的條件下，甚至可以通過(guò)毫米或更大尺寸的通道獲得主要分子狀態(tài)下的流。

相反，在另一非真空壓力條件下，具體而言，是在大氣壓力或更高的壓力條件下，需要將通道的尺寸減小到亞微米值，如由于設(shè)備1的調(diào)節(jié)接口22設(shè)置的納米孔而獲得。

調(diào)節(jié)接口22在圖4和圖5中示出。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，每個(gè)納米孔20被配置為允許微流在10^-8mbar·I·sec^-1和10^-6mbar·I·sec^-1之間。以這種方式，調(diào)節(jié)接口22可以以等于這些微流中的一個(gè)的精確度和非常精細(xì)的粒度來(lái)控制氣流。當(dāng)然，其它流值也是可以的，這取決于所制造的納米孔的尺寸和納米孔所經(jīng)受的壓力梯度。

流調(diào)節(jié)接口允許氣體僅通過(guò)亞微米尺寸的納米孔的事實(shí)使得能夠?qū)崿F(xiàn)允許在分子或主要分子狀態(tài)下的流的功能。事實(shí)上，可以計(jì)算出，在覆蓋合理使用的所有條件的非常寬的溫度范圍內(nèi)，并且對(duì)于幾乎每種類(lèi)型的氣體，亞微米直徑的通道允許甚至在大氣壓或更高的壓力下獲得期望的D/λ值(小于10，在任何情況下，優(yōu)選可比得上1或更低)。

有利地，在亞微米間隔內(nèi)為設(shè)備的具體實(shí)施例的納米孔選擇的具體尺寸可考慮在使用條件中指定的壓力條件。

每個(gè)納米孔的亞微米尺寸意味著納米孔的直徑(即，基本上垂直于流的平面上的尺寸)為幾百納米或更小的數(shù)量級(jí)。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，每個(gè)納米孔20的直徑在10nm至100nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在20nm至100nm之間。其它值(例如在50nm和500nm之間)是可能的，這取決于設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)格。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，納米孔形成在膜21中，膜具有數(shù)百納米(nm)或更低(因此，通常為與直徑的數(shù)量級(jí)相當(dāng)?shù)臄?shù)量級(jí))的厚度，并且優(yōu)選地在50nm和500nm之間。

根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，每個(gè)納米孔20具有限定的幾何形狀和確定性可測(cè)量的傳導(dǎo)性，傳導(dǎo)性是量化可通過(guò)納米孔的微流的參數(shù)。

優(yōu)選地，納米孔20的幾何形狀基本上是圓柱形的。

因此，在上述實(shí)施例中，每個(gè)納米孔大約是直徑為幾十或幾百納米且高度為幾百納米的量級(jí)的圓柱體或管。

根據(jù)本發(fā)明所涵蓋的各種實(shí)施實(shí)例，形成在調(diào)節(jié)接口22的膜21中的納米孔20的分布、數(shù)量和尺寸可以是最多變的。調(diào)節(jié)接口22因此可包括任何組合的所有相同尺寸或彼此不同的納米孔20。

調(diào)節(jié)接口22的納米孔20的數(shù)量可以以從幾十到幾百，甚至數(shù)千變化。這有利地允許通過(guò)打開(kāi)所有納米孔而獲得顯著強(qiáng)度的流(即使由微流形成)。

納米孔20在調(diào)節(jié)接口22上的布置可以是最多變的。

根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施實(shí)例，如圖4和圖5所示，納米孔20以行和列的二維陣列布置。

根據(jù)一個(gè)實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)，調(diào)節(jié)接口22包括一個(gè)或多個(gè)流控制窗口，每個(gè)窗口包括膜21，通過(guò)該膜得到納米孔20。

每個(gè)膜21可以是平面的或非平面的。

在典型的實(shí)施實(shí)例中，膜21是平面的，基本上為矩形或正方形，其側(cè)面的尺寸為幾十微米量級(jí)，并且能夠包含上百數(shù)量級(jí)的多個(gè)納米孔。

應(yīng)當(dāng)注意的是，具有膜21和具有期望尺寸和幾何形狀的任何預(yù)定布置的納米孔的調(diào)節(jié)接口22可通過(guò)本身已知的用于制造具有亞微米尺寸的孔的膜的技術(shù)獲得。

例如，這樣的技術(shù)在用于生產(chǎn)用于化學(xué)-生物應(yīng)用的膜的納米技術(shù)的背景下是已知的?？捎眉夹g(shù)的另一個(gè)實(shí)例涉及使用通過(guò)配備有FIB(強(qiáng)制離子束)模塊的SEM(掃描電子顯微鏡)以受控方式穿孔的硅膜。以這種方式，可在硅膜上形成上述類(lèi)型的納米孔(在文獻(xiàn)中有時(shí)也稱為“納米孔口”或“納米小孔”)，例如在科學(xué)論文中所示：Lo，Aref，Bezryadin“Fabrication of symmetric sub-5nm nano-pores using focused ion and electron beams”(Nanotechnology 17(2006)3264-3267)；和Stein等人的“Ion Beam Sculpting Time Scales”(Physical Review Letter，vol.89，no.27，30.12.2002)。

現(xiàn)在參考致動(dòng)納米孔的方式，應(yīng)當(dāng)注意的是，通過(guò)這里示出的設(shè)備1的結(jié)構(gòu)，使得各種策略成為可能。實(shí)際上，控制裝置40被配置為通過(guò)確定就打開(kāi)和關(guān)閉的納米孔的數(shù)量和位置而言的打開(kāi)和關(guān)閉的納米孔20的模式和/或通過(guò)確定納米孔20的打開(kāi)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的比率或工作周期的比率和其頻率來(lái)控制通過(guò)調(diào)節(jié)接口22的氣流Fi。

在能夠提供最大使用靈活性的優(yōu)選實(shí)施實(shí)施例中，處理設(shè)備40被配置為控制入口致動(dòng)裝置25，使得每個(gè)納米孔20可以以獨(dú)立的方式相對(duì)于其他納米孔20單獨(dú)地打開(kāi)或關(guān)閉。

根據(jù)也包括在本發(fā)明中的替代示例，處理設(shè)備40被配置為控制入口致動(dòng)裝置25，以便選擇性地打開(kāi)或關(guān)閉一組或多組這樣的納米孔20，納米孔20例如包括納米孔陣列中彼此鄰近納米孔的子集。在這種情況下，每個(gè)子集的納米孔可獨(dú)立于其它子集的納米孔的打開(kāi)/關(guān)閉而打開(kāi)或關(guān)閉。

根據(jù)另一示例，納米孔20全部打開(kāi)或全部封閉。

由于上述原因，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備1提供了流控制，其中，可能存在打開(kāi)或關(guān)閉的納米孔的任何組合、模式和/或布置：例如，納米孔全部打開(kāi)(如圖4和圖6所示)或納米孔全部關(guān)閉(如圖5所示)或一些納米孔打開(kāi)，而其它納米孔關(guān)閉。此外，打開(kāi)或關(guān)閉的納米孔的組合、模式和/或布置可以以期望的方式隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)地改變。

在圖4至圖6所示的實(shí)例中，入口致動(dòng)裝置25包括多個(gè)小型化的納米孔打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26，每個(gè)微型納米孔打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26適于打開(kāi)或關(guān)閉相應(yīng)的納米孔20，以便分別最小化或最大化納米孔20的傳導(dǎo)性。

在具體的實(shí)施實(shí)例中，每個(gè)微型化納米孔打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26被配置為氣密地密封相應(yīng)的納米孔20，將其傳導(dǎo)性減小為零或完全打開(kāi)納米孔20，從而允許氣流過(guò)它。“密封”閉合的性質(zhì)可在設(shè)計(jì)階段中相對(duì)于其流必須被控制的氣體分子的尺寸來(lái)限定。

根據(jù)可能的實(shí)施選項(xiàng)，入口致動(dòng)裝置25被電機(jī)致動(dòng)或電磁致動(dòng)。

根據(jù)圖6所示的實(shí)施例選項(xiàng)，每個(gè)小型化的打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26包括塞子26，可電機(jī)致動(dòng)以通過(guò)相對(duì)于納米孔20的軸向運(yùn)動(dòng)關(guān)閉或打開(kāi)相應(yīng)的納米孔20。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例選項(xiàng)，每個(gè)小型化的關(guān)閉/打開(kāi)構(gòu)件包括微懸臂梁，其可電磁致動(dòng)，在振蕩端具有適于插入到納米孔中或從納米孔中取出的基本上錐形的尖端。

根據(jù)又一實(shí)施例選項(xiàng)，每個(gè)小型化的關(guān)閉/打開(kāi)構(gòu)件包括圓柱體，其直徑基本上等于相應(yīng)的納米孔的直徑，圓柱體可電磁致動(dòng)以通過(guò)相對(duì)于納米孔的軸向運(yùn)動(dòng)而插入相應(yīng)的納米孔中或從納米孔中取出。

上述選項(xiàng)提供了每個(gè)納米孔的單獨(dú)和獨(dú)立致動(dòng)。

對(duì)于其中納米孔的共同致動(dòng)足夠的應(yīng)用，進(jìn)一步的實(shí)施例選項(xiàng)提供了入口致動(dòng)裝置25包括多個(gè)打開(kāi)/關(guān)閉振動(dòng)平面構(gòu)件，其被配置為同時(shí)打開(kāi)/關(guān)閉調(diào)節(jié)接口2的所有納米孔20。

在這種情況下，單個(gè)小型化的納米孔打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件可以以與納米孔的配置對(duì)應(yīng)的配置布置在平面構(gòu)件的一側(cè)上，使得在平面構(gòu)件的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)小型化的打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件同時(shí)插入到相應(yīng)的納米孔中或從相應(yīng)的納米孔中取出。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，入口致動(dòng)裝置25布置在調(diào)節(jié)接口22的一側(cè)，并且被配置為打開(kāi)/關(guān)閉對(duì)應(yīng)于該側(cè)的每個(gè)納米孔20的開(kāi)口。

根據(jù)替代的實(shí)施實(shí)例，這樣的入口致動(dòng)裝置25(或其至少部分)布置在調(diào)節(jié)接口22的兩側(cè)，并且被配置為打開(kāi)/關(guān)閉每個(gè)納米孔20的對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié)接口22的兩側(cè)(即由納米孔形成的管狀微通道的兩端)的兩個(gè)開(kāi)口。在這種情況下，每個(gè)小型化納米孔打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26被配置在關(guān)閉的條件下從相應(yīng)側(cè)進(jìn)入納米孔20。

有利地，在每次關(guān)閉和隨后的打開(kāi)操作事件時(shí)或特定的防堵塞關(guān)閉/打開(kāi)事件時(shí)，小型化的打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26也適于(或可配置)用于清潔和清除每個(gè)納米孔20的可能的障礙物(例如，由于可沉積的分子單層)。該性質(zhì)對(duì)于允許在大多數(shù)各種環(huán)境(包括具有污染物的工業(yè)處理的環(huán)境)中使用該設(shè)備是重要的。

現(xiàn)在，考慮例如在圖7和8中示出的至少一個(gè)出口構(gòu)件3。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，至少一個(gè)出口構(gòu)件3進(jìn)一步被配置為隨著時(shí)間控制和/或調(diào)制輸出離子流I的強(qiáng)度。

為此目的，在這樣的實(shí)施選項(xiàng)中，對(duì)于至少一個(gè)出口構(gòu)件3中的每一個(gè)，出口致動(dòng)裝置35包括相應(yīng)的閘門(mén)36，被配置為完全關(guān)閉或保持完全打開(kāi)或以受控方式部分地阻擋至少一個(gè)出口構(gòu)件3的孔口30。

具體而言，閘門(mén)36的運(yùn)動(dòng)可由處理裝置40電機(jī)地控制，使得閘門(mén)36處于打開(kāi)位置，在該打開(kāi)位置中，其保持完全打開(kāi)孔30；或者處于關(guān)閉位置，在該關(guān)閉位置，其保持孔口30氣密地關(guān)閉，或者處于多個(gè)中間位置，其確定用于孔口30的打開(kāi)/部分關(guān)閉的相應(yīng)的多個(gè)條件。

另外，還可以根據(jù)期望的工作周期，例如具有適當(dāng)?shù)恼袷庮l率，以周期性的打開(kāi)/關(guān)閉周期驅(qū)動(dòng)閘門(mén)36。

在圖8所示的實(shí)例中，閘門(mén)36具有鐘擺形狀。

根據(jù)實(shí)施選項(xiàng)，出口致動(dòng)裝置35被配置為通過(guò)調(diào)節(jié)孔口30的開(kāi)口的尺寸來(lái)控制輸出氣流Fo，并且通過(guò)孔口30的關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間或者孔口30的打開(kāi)/關(guān)閉工作周期來(lái)控制出口離子流I的調(diào)制。

此外，出口致動(dòng)裝置35還被配置為通過(guò)調(diào)節(jié)孔口30的關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間者或孔口30的關(guān)閉/打開(kāi)工作周期來(lái)對(duì)控制電離室6中的壓力作出貢獻(xiàn)。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，至少一個(gè)出口構(gòu)件3進(jìn)一步被配置為測(cè)量出口離子流I的強(qiáng)度。為此，閘門(mén)36可配備有離子束強(qiáng)度的計(jì)量表，或者這樣的強(qiáng)度計(jì)量表的一部分。

現(xiàn)在參考圖7和圖8，將示出關(guān)于設(shè)備1的電離室6的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

在實(shí)施例中，電離室6包括電離室控制裝置65和至少一個(gè)電離源61。

電離室6包括電離區(qū)域62，電離區(qū)域62包含通過(guò)至少一個(gè)進(jìn)口構(gòu)件2被允許進(jìn)入的氣體顆粒，并且被布置為例如通過(guò)由電離源61產(chǎn)生的電離電子來(lái)交叉，因此電離電子使氣體顆粒(即，氣體分子)電離，從而產(chǎn)生相應(yīng)的離子(即，電離分子)。

電離室6還包括離子提取裝置63，其被配置為確定所生成的離子穿過(guò)至少一個(gè)離子提取窗口64(離子通過(guò)該窗口離開(kāi)電離區(qū)域62)的優(yōu)選軌跡，并且隨后引導(dǎo)離子朝向至少一個(gè)出口構(gòu)件3。為此目的，離子提取裝置63包括在時(shí)間和空間上受控的電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)的生成器。

電離源61可以是本身已知的電子發(fā)射源，諸如例如EI(電子電離)源，具體而言是場(chǎng)效應(yīng)“冷”發(fā)射源，諸如納米管源或等離子體源，或通過(guò)激光電離。

根據(jù)圖7所示的實(shí)施實(shí)例，離子提取裝置63包括本身已知的至少一個(gè)提取器和/或離子引導(dǎo)件630，用于從電離區(qū)域62提取離子；并且進(jìn)一步包括至少一個(gè)靜電透鏡631，其被配置為限定離子從離子提取窗口64到至少一個(gè)出口構(gòu)件3的孔口30的路徑，并且生成作為輸出流的校準(zhǔn)離子束I。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，電離室6進(jìn)一步包括磁場(chǎng)生成器，被配置為生成受控磁場(chǎng)，以便改進(jìn)對(duì)電離電子的軌跡的控制。

現(xiàn)在考慮如上所述的具有電離室6以及入口和出口構(gòu)件2和3的整個(gè)設(shè)備，應(yīng)當(dāng)注意的是，如前所述，控制裝置4可被配置為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能目的。

具體而言，控制裝置4被配置為調(diào)節(jié)輸入氣流Fi和輸出氣流F o，以便將在電離室6內(nèi)的期望壓力值保持在足夠低的水平，以確保甚至輸出氣流Fo在分子或主要分子狀態(tài)下存在。

因此，這導(dǎo)致在電離室6內(nèi)部的部分氣體濃度(partial gas concentration)再現(xiàn)存在于至少一個(gè)入口構(gòu)件2暴露于其中的外部環(huán)境中的部分氣體濃度，并且因此，在輸出離子流I中的部分離子濃度確定性地代表這樣的部分氣體濃度。具體而言，在不同氣體顆粒的電離橫截面相等或非常相似的情況下，部分離子濃度精確地再現(xiàn)部分氣體濃度。如果電離橫截面不同，則它們?nèi)匀灰愿呔鹊拇_定性是已知的，由此部分離子濃度也可以以確定性和精確的方式與部分氣體濃度相關(guān)。

有利地，設(shè)備1可被配置為在具有大氣壓或更高壓力的環(huán)境中操作，并且將包括的電離室6內(nèi)的壓力保持在例如10^-2mbar和10^-6mbar之間。

上述電離室6的內(nèi)部壓力是真空或高真空壓力。這允許氣體顆粒的電離，并且同時(shí)確保從真空壓力下的環(huán)境中離開(kāi)的輸出氣流Fo處于分子或主要分子的狀態(tài)。

另一方面，如已經(jīng)指出的，調(diào)節(jié)接口甚至在被連接到大氣壓或更高壓力的環(huán)境時(shí)仍允許在分子或主要分子狀態(tài)下的輸入流Fi。

氣體物質(zhì)的在分子或主要分子狀態(tài)下的微流的強(qiáng)度與氣體物質(zhì)的質(zhì)量的平方根成反比，但是這樣的不平衡以相同的方式在輸入和輸出中發(fā)生，導(dǎo)致精確的補(bǔ)償。

由于這個(gè)事實(shí)，可以實(shí)現(xiàn)上述的生成離子流I的功能，該離子流I的部分離子濃度等于設(shè)備所在的外部環(huán)境中存在的部分氣體濃度。

如果設(shè)備配備有多個(gè)入口構(gòu)件，這些入口構(gòu)件與已知?dú)怏w濃度的相應(yīng)的不同的環(huán)境連接，則可以獲得進(jìn)一步有利的功能。

這通過(guò)圖2所示的設(shè)備的進(jìn)一步實(shí)施例實(shí)現(xiàn)，其中，設(shè)備1包括多個(gè)入口構(gòu)件2，每個(gè)入口構(gòu)件暴露于具有相應(yīng)的部分氣體濃度的相應(yīng)的外部環(huán)境A1-Ai中。控制裝置4被配置為調(diào)節(jié)來(lái)自入口構(gòu)件2的輸入氣流Fi和輸出氣流Fo，以便將電離室6內(nèi)的期望壓力值保持在足夠低的水平，以確保甚至輸出氣流Fo在分子或主要分子狀態(tài)出現(xiàn)(甚至輸出孔口具有尺寸為毫米或幾十毫米的量級(jí))。這因此導(dǎo)致在電離室6內(nèi)的部分氣體濃度取決于存在于所述外部環(huán)境A1-Ai中的部分氣體濃度的可控加權(quán)和；并且輸出離子流I中的部分離子濃度確定地表示存在于電離室6內(nèi)的可控氣體濃度。

同樣在這種情況下，設(shè)備1可被配置為在具有大氣壓或更高壓力的環(huán)境中操作，并且保持所包含的電離室6內(nèi)的壓力在10^-2mbar和10^-6mbar(真空壓力)之間。

根據(jù)實(shí)施選項(xiàng)，控制裝置4還被配置為控制輸出離子流I的強(qiáng)度和/或時(shí)間調(diào)制，使得輸出離子流I在濃度、強(qiáng)度和調(diào)制方面是可控的。

根據(jù)具體實(shí)施實(shí)例，控制裝置4被配置為通過(guò)作用于電離室中的壓力和/或通過(guò)電離源61生成電子來(lái)控制輸出離子流I的強(qiáng)度。

根據(jù)圖3中所示的設(shè)備1的進(jìn)一步的實(shí)施例，設(shè)備1包括多個(gè)出口構(gòu)件3和相應(yīng)的孔口30，其中有離子流出口構(gòu)件3’和一個(gè)或多個(gè)氣流出口構(gòu)件3”。

控制裝置4被配置為通過(guò)調(diào)節(jié)離子流出口構(gòu)件3’的開(kāi)口尺寸來(lái)調(diào)制輸出離子流I；并且還通過(guò)調(diào)節(jié)氣流出口構(gòu)件3”的孔口30的打開(kāi)和/或關(guān)閉和打開(kāi)的時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間和/或打開(kāi)/關(guān)閉工作周期來(lái)控制輸出氣流Fo和電離室6內(nèi)部的壓力。

根據(jù)實(shí)施選項(xiàng)，控制裝置4被配置為允許輸入氣流輸入和輸出傳導(dǎo)性，以便根據(jù)輸入氣流和輸出傳導(dǎo)性之間的比率保持電離室6中的壓力。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施選項(xiàng)，控制裝置4進(jìn)一步被配置為通過(guò)適當(dāng)致動(dòng)至少一個(gè)出口構(gòu)件3以受控的方式改變電離室6中的壓力，以便基于輸入流、電離室的體積和輸出孔口的有效傳導(dǎo)性(從零值開(kāi)始直到最大值)，增加電離室中的壓力，輸出孔口的有效傳導(dǎo)性進(jìn)而取決于至少一個(gè)出口構(gòu)件3的打開(kāi)/關(guān)閉致動(dòng)時(shí)間。

現(xiàn)在參考圖6至11中所示的設(shè)備的進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)和功能方面，應(yīng)注意以下方面。

電子處理裝置40包括處理器44，其可操作地電連接到入口致動(dòng)裝置25和出口致動(dòng)裝置35，以便通過(guò)發(fā)送電信號(hào)來(lái)控制它們。

參考入口致動(dòng)控制裝置25，處理器44可操作地電連接到每個(gè)納米孔打開(kāi)/關(guān)閉構(gòu)件26。

在圖6所示的實(shí)施實(shí)例中，電子處理裝置40進(jìn)一步包括緩沖器(可集成在同一處理器中)、驅(qū)動(dòng)構(gòu)件41和多路復(fù)用器42。緩沖器可操作地連接到處理器40以接收與多個(gè)納米孔相關(guān)的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)構(gòu)件41可操作地連接到緩沖器以順序地接收所述打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，并且被配置為順序地產(chǎn)生與多個(gè)納米孔相關(guān)的對(duì)應(yīng)的打開(kāi)/關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)。多路復(fù)用器42可操作地連接到驅(qū)動(dòng)構(gòu)件41，以依次接收所述打開(kāi)/關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且被配置為將每個(gè)打開(kāi)/關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)引導(dǎo)到多個(gè)納米孔的對(duì)應(yīng)的納米孔20。

上述利用打開(kāi)/關(guān)閉命令的生成速度可顯著高于致動(dòng)的執(zhí)行速度的事實(shí)的實(shí)施，有利地允許為設(shè)備提供單個(gè)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，其順序地生成用于單個(gè)納米孔的所有致動(dòng)構(gòu)件。

根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施例，設(shè)備1還包括至少一個(gè)第一壓力傳感器59和至少一個(gè)第二壓力傳感器50。

第一壓力傳感器59(圖7中所示)布置在電離室6內(nèi)或附近，并且被配置為測(cè)量電離室6中存在的壓力值。

第二壓力傳感器50(圖6中所示)布置在電離室6的外部，例如在調(diào)節(jié)接口22的外部，并且被配置為測(cè)量存在于電離室外部的環(huán)境中的壓力值。

第一壓力傳感器59和第二壓力傳感器50還被配置為向處理裝置40提供相應(yīng)的測(cè)量的壓力值。

根據(jù)實(shí)施例，設(shè)備1還包括輸入/輸出接口51，其可操作地連接到電子處理裝置4，并且被配置為向設(shè)備外部發(fā)送或從設(shè)備外部接收控制和/或監(jiān)控和/或校準(zhǔn)和/或診斷信號(hào)。

在包括在本發(fā)明中的若干實(shí)施實(shí)例中，電子處理裝置4被配置為基于經(jīng)由輸入/輸出接口51來(lái)自設(shè)備外部的控制信號(hào)和/或基于由小型化的壓力傳感器50，59測(cè)量的壓力值和/或基于輸出離子流的測(cè)量值來(lái)控制通過(guò)調(diào)節(jié)接口22的氣流。

可選地，設(shè)備1還包括參考?jí)毫鞲衅?圖中未示出)，封裝在密封和/或可打開(kāi)的環(huán)境中，并且被配置為向處理設(shè)備4提供參考信號(hào)以用于設(shè)備的校準(zhǔn)和/或診斷功能。

根據(jù)實(shí)施示例，設(shè)備1還包括電源接口55(在圖6中示出)。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，設(shè)備1還包括用于電離室的電源68(在圖7中示出)。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)，設(shè)備1還包括第一受控加熱設(shè)備52，其被配置為在處理裝置4的控制下在調(diào)節(jié)接口22附近保持期望的溫度。

根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)，設(shè)備1還包括第二受控加熱設(shè)備67，其被配置為在處理裝置4的控制下在電離室6中保持期望的溫度。

根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)例實(shí)施例，設(shè)備1還包括微粒過(guò)濾裝置53(例如，配備有測(cè)微框架過(guò)濾器)，其被布置成至少覆蓋至少一個(gè)入口構(gòu)件2的調(diào)節(jié)接口22，以防止電離室6的污染和/或納米孔20的阻塞。

此外，設(shè)備1可包括薄保護(hù)膜，被配置為減少處理氣體的吸附(例如，防止存在于處理環(huán)境中的水分的吸附的疏水膜)并防止腐蝕。

應(yīng)當(dāng)注意的是，電子處理裝置4可被配置為基于從壓力傳感器50，59接收的數(shù)據(jù)，和/或離子束I的強(qiáng)度的測(cè)量數(shù)據(jù)和/或與預(yù)定要放置設(shè)備1的標(biāo)稱預(yù)定操作條件或操作環(huán)境條件相關(guān)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理來(lái)執(zhí)行設(shè)備1的診斷程序，以便識(shí)別設(shè)備的可能的操作異常。

另外，電子處理裝置4可被配置為，如果診斷程序給出否定結(jié)果，則基于上述診斷程序的結(jié)果通過(guò)對(duì)設(shè)備的操作參數(shù)進(jìn)行操作來(lái)校正和/或補(bǔ)償所識(shí)別的操作異常，而執(zhí)行用于設(shè)備1的調(diào)整和/或補(bǔ)償和/或優(yōu)化的程序。

現(xiàn)在參考結(jié)構(gòu)實(shí)施的各方面，應(yīng)當(dāng)注意的是，在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)備1是集成設(shè)備。

根據(jù)實(shí)施選項(xiàng)，電離室6、至少一個(gè)入口構(gòu)件2和至少一個(gè)出口構(gòu)件3被包括在集成設(shè)備1的單個(gè)小型化芯片中。

根據(jù)圖9至圖11中所示的另一實(shí)施選項(xiàng)，設(shè)備1是集成設(shè)備，包括第一芯片10，其中實(shí)現(xiàn)了至少一個(gè)入口構(gòu)件2；和第二芯片11，其中實(shí)現(xiàn)了電離室6和至少一個(gè)出口構(gòu)件3。第一芯片10與第二芯片11重疊，以便僅通過(guò)至少一個(gè)入口構(gòu)件2允許氣流Fi進(jìn)入第二芯片。

根據(jù)實(shí)施例，設(shè)備1包括連接器構(gòu)件58，其被配置為物理地分離上述第一芯片10和第二芯片11而同時(shí)允許操作連接。

根據(jù)實(shí)施選項(xiàng)，設(shè)備1包括進(jìn)一步的連接器構(gòu)件54，被配置為將電子處理裝置40與入口構(gòu)件2，電離室6和出口構(gòu)件3物理地分離，同時(shí)允許操作連接。

根據(jù)實(shí)施實(shí)例，設(shè)備1進(jìn)一步包括泵送構(gòu)件，被配置為加速電離區(qū)域的排空時(shí)間，例如在一個(gè)測(cè)量值和另一個(gè)測(cè)量值之間。

下面，將描述本發(fā)明中包括的方法。

本發(fā)明包括用于生成受控離子流I的方法，包括以下步驟：在電離室6中產(chǎn)生真空條件，電離室6僅通過(guò)至少一個(gè)入口構(gòu)件2和至少一個(gè)出口構(gòu)件3與外部連通；然后，以受控的方式抑制或允許輸入氣流Fi通過(guò)至少一個(gè)入口構(gòu)件2的調(diào)節(jié)接口22，調(diào)節(jié)接口22包括多個(gè)亞微米尺寸的納米孔20，其中，每個(gè)納米孔適于被打開(kāi)或關(guān)閉，以允許或抑制在分子或主要分子狀態(tài)下的相應(yīng)微流通過(guò)，使得通過(guò)調(diào)節(jié)接口22的總氣流Fi為通過(guò)打開(kāi)的納米孔的微流的總和。

該方法然后包括以下步驟：以受控的方式抑制或允許輸出氣流Fo通過(guò)至少一個(gè)出口構(gòu)件3的孔口30；然后，調(diào)節(jié)輸入氣流Fi和輸出氣流Fo，以便將在電離室6內(nèi)的期望壓力值保持在足夠低的水平，以確保甚至輸出氣流Fo在分子或主要分子狀態(tài)下存在，使得電離室6內(nèi)的部分氣體濃度再現(xiàn)存在于至少一個(gè)入口構(gòu)件2所暴露的外部環(huán)境中的部分氣體濃度。

另外，該方法包括以下步驟：電離電離室6內(nèi)的氣體顆粒，以獲得再現(xiàn)部分氣體濃度的部分離子濃度；并且最后，以輸出離子束的形式提取在電離室6中生成的離子，以獲得具有已知的部分離子濃度的離子流I，所述輸出離子束具有確定性地代表上述部分氣體濃度的部分離子濃度。

在具體實(shí)施例中，該方法包括控制離子流I的輸出強(qiáng)度的進(jìn)一步的步驟。

在另一實(shí)例實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括以下步驟：將至少一個(gè)入口構(gòu)件2暴露于待采樣的環(huán)境中，以及檢測(cè)強(qiáng)度受控的離子束，該離子束具有代表待采樣的環(huán)境中的部分氣體濃度的部分離子濃度。

本發(fā)明還包括用于生成受控離子流I的方法，包括以下步驟：在電離室6中產(chǎn)生真空條件，電離室6僅通過(guò)多個(gè)入口構(gòu)件2以及至少一個(gè)出口構(gòu)件3與外部連通，每個(gè)入口構(gòu)件暴露于具有相應(yīng)的部分氣體濃度的相應(yīng)的外部環(huán)境A1-Ai；然后，以受控的方式抑制或允許輸入氣流Fi通過(guò)每個(gè)入口構(gòu)件，每個(gè)入口構(gòu)件具有相應(yīng)的調(diào)節(jié)接口22，每個(gè)調(diào)節(jié)接口22包括多個(gè)亞微米尺寸的納米孔20，每個(gè)納米孔20適于被打開(kāi)或關(guān)閉，以抑制或允許在分子或主要分子狀態(tài)下的相應(yīng)微流通過(guò)，使得通過(guò)每個(gè)調(diào)節(jié)接口22的總氣流為通過(guò)打開(kāi)的納米孔的微流的總和。

該方法然后包括以下步驟：以受控的方式抑制或允許輸出氣流Fo通過(guò)至少一個(gè)出口構(gòu)件3的孔口30；然后，調(diào)節(jié)輸入氣流Fi和輸出氣流Fo，以便將在電離室6內(nèi)的期望壓力值保持在足夠低的水平，以確保甚至輸出氣流Fo在分子或主要分子狀態(tài)下存在，使得電離室1內(nèi)的部分氣體濃度取決于存在于所述外部環(huán)境A1-Ai中的部分氣體濃度的可控加權(quán)和。

該方法還包括以下步驟：電離電離室6內(nèi)的氣體顆粒，以獲得確定性地代表存在于電離室6中的上述部分氣體濃度的部分離子濃度；并且最后以輸出離子束的形式提取在電離室中生成的離子，以獲得具有期望的部分離子濃度的離子流I，所述輸出離子束具有確定性地代表上述部分氣體濃度的部分離子濃度。

在具體實(shí)施例中，該方法包括控制離子流I的輸出強(qiáng)度和/或調(diào)制的進(jìn)一步的步驟。

在另一實(shí)例實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括以下步驟：將至少一個(gè)入口構(gòu)件2暴露于具有已知?dú)怏w濃度的環(huán)境A1-Ai中，以及檢測(cè)強(qiáng)度受控的離子束，該離子束具有代表期望的部分氣體濃度的部分離子濃度，所述部分離子濃度是完全可控的。

可以看出，本發(fā)明的目的通過(guò)前述的設(shè)備，通過(guò)所示的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從上面的描述中，顯然，本發(fā)明的設(shè)備能夠以受控的方式生成具有已知和/或期望的強(qiáng)度和組成的離子流。

事實(shí)上，由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及控制電離室中的輸入和輸出流的相關(guān)功能，設(shè)備能夠控制電離室中的氣體組成以及作為結(jié)果的輸出離子束的離子組成。

具體而言，如上所述，該設(shè)備允許管理在分子或主要分子狀態(tài)下的微流進(jìn)入和離開(kāi)電離室。這允許通過(guò)簡(jiǎn)單地將設(shè)備與其中存在已知或期望濃度的大氣壓下的環(huán)境流體連通并將來(lái)自其的氣體微流直接注入到真空壓力電離室中來(lái)控制電離室內(nèi)的氣體組成。這些微流在分子或主要分子狀態(tài)，這意味著氣體物質(zhì)的微流的強(qiáng)度與氣體物質(zhì)本身的質(zhì)量的平方根成反比。但是，這種不平衡由以下事實(shí)精確地補(bǔ)償：來(lái)自真空壓力電離室的輸出流也處于分子或主要分子狀態(tài)，使得電離室內(nèi)的部分氣體濃度保持恒定，處于期望的水平。

另外，如上所述，該設(shè)備允許控制輸出離子束的強(qiáng)度和/或調(diào)制。

此外，由于其上述特征，該設(shè)備是便攜式的；在實(shí)施選項(xiàng)中，其甚至可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)芯片以集成形式構(gòu)造。該設(shè)備也易于安裝并且是多用途的，因?yàn)槠淇捎糜诙鄠€(gè)不同的應(yīng)用中。

最后，由于上述自校準(zhǔn)和自診斷功能，該設(shè)備可滿足高可靠性要求。

對(duì)于先前描述的生成離子流的方法，可確定類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于上述用于生成受控離子流的設(shè)備的實(shí)施例以及相關(guān)方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員為了滿足依情況而定的要求，可用其他功能等同的構(gòu)件，甚至與現(xiàn)有技術(shù)一起，甚至創(chuàng)建混合實(shí)施例來(lái)修改、改編和替換構(gòu)件，而不脫離所附權(quán)利要求的范圍。被描述為屬于可能的實(shí)施例的每個(gè)特性可獨(dú)立于所描述的其他實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)。還要注意，術(shù)語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且“一個(gè)(a)”或“一個(gè)(one)”不排除多個(gè)。此外，附圖不一定按比例；相反，通常重要的是給出本發(fā)明的原理的說(shuō)明。