專利名稱：離子捕獲遷移率頻譜儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測痕量的關注物質的探測器。
背景技術：
在運輸設施、政府建筑、銀行、餐館、酒店以及其他具有大量行人或車 輛交通流量的地點持續存在恐怖主義危險。因此，幾乎所有機場和許多其他 建筑現在都包括用于探測痕量爆炸物的設備。
麻醉毒品是非法并且暗中危害的。此外，已知許多恐怖組織通過麻醉毒 品的獲利出售來資助其恐怖活動。相應地，許多機場和其他公共建筑都認識 到檢查麻醉毒品的需要。
離子遷移率頻譜儀從大約1970年開始商業應用，并被用于檢測樣品氣 流中至少選定的成分的存在。離子遷移率頻譜儀可被用于探測樣品氣體中爆 炸物的存在。典型的現有技術的離子遷移率頻譜儀包括電離區和漂移區。用 于分析的空氣樣品被包含卣化物的栽體氣流送入電離區。載氣被從電離室的 放射壁發射的P粒子所電離，以形成正離子和電子。電子被氣體捕獲，引起 一系列導致卣素電離的反應。關注的分子通過與這些氣相離子的相互作用而 形成離子。在電離區中建立電場。該場的極性可以被設定為將關注的離子指 向現有技術探測器的漂移區。離子穿過漂移區并朝著漂移區與電離區相對的 末端的收集電極(collector electrode )行進。到收集電極的漂移時間依據離 子的尺寸改變比(size-to-change)而變化。根據離子的到達時間而會在不同 的時間在收集電極建立電流。該電流被放大并轉換成用于信號分析目的的電 壓。關注的具體物質會具有唯一的漂流時間。探測器可以被校準，從而基于 該漂移時間來鑒別關注的物質并為操作者給出報警信號。遺憾的是，傳統的 離子遷移率頻譜儀僅允許離子在短時段進入漂移區。在所有其他時間到達漂 移區入口的離子均被放電。結果，在老式離子遷移率頻語儀中多數離子被放 電，而老式離子遷移率頻語儀的電離和收集效率小于0.01%。相應地，老式 離子遷移率頻譜儀不能探測許多可能存在于樣品中的關注的物質。
美國專利No. 5200614和美國專利No. 5491337均公開了一種提供對于 探測痕量的關注物質的增強能力的離子捕獲遷移率頻語儀(ITMS)。美國 專利No. 5200614中示出的離子捕獲遷移率頻譜儀用載氣將樣品氣體載入探 測器入口。載氣可以由用作電荷轉移i某質的低濃度氣體來摻雜。關注的樣品 分子通過入口和擴散器被送入電離室。現有技術的電離室具有杯狀金屬壁并 在室內設置了放射性材料。開口格柵電極位于電離室的下游端且通常與電離 室的金屬壁電勢相同。這樣就在電離室中定義了大的無場空間。電子和離子 電荷構建了該無場空間并在來自放射性壁的P粒子的轟擊下與樣品分子相互 作用。然而，跨越電離區周期性地建立場以將離子掃入ITMS的漂移區。漂 移區中的離子經受由環狀電極維持的恒定電場，并沿漂移區被驅向收集電極 以基于它們的離子頻譜進行分析。跨越格柵電極和電離室的金屬杯的場在大 約0.2毫秒以后被再次減小到零，并且再次允許在室中構建離子布局以為下 一場的施加做準備。現有技術的探測器的場的極性根據該探測器是在負或正 離子模式下運行來選擇。當探測爆炸物時通常優選負離子模式。美國專利 No. 5491337公開了一種正模式的具有增強性能的離子捕獲遷移率頻譜儀用 于檢測痕量麻醉毒品的存在。美國專利No. 6765198公開了一種離子捕獲遷 移率頻譜儀，該離子捕獲遷移率頻諉儀能在負模式下分析單個樣品以檢測爆 炸物并在正才莫式下才全測麻醉毒品。美國專利No. 5200614、美國專利No. 5491337和美國專利No. 6765198所公開的內容在此引用結合于此。
結合了美國專利No. 5200614、美國專利No. 5491337和美國專利No. 6765198的教導的探測器由GE Security, Inc.上市，并被證明非常有效且在商 業上取得了成功。然而，仍然存在對于具有改進的分辨率的探測器的需要。 在這點上，已經確定上述探測器探測到的峰的分辨率依賴于引入漂移室的離 子脈沖的寬度，以及由于擴散、電子排斥和其他因素所引起的漂移室中離子 云所經歷的展寬。還確定了電離室靠近格柵電極的外圍區域在將離子引入漂 移室的過程中造成了較高的電場。這些較高電場區域中的離子會先于定義電 離室的周壁向內的電離室的較低電場區域中的離子被引入漂移區。離子引入 時間的差別加寬了離子脈沖并降低了探測器的總的峰的分辨率。相應地，本 發明的目標是提供一種具有改進的分辨率的探測器。
發明內容
本發明涉及一種探測器并優選涉及一種包括離子捕獲遷移率頻譜儀的 探測器。該探測器具有用于接收檢測關注的物質的樣品的入口。樣品可以通
過以下方式接受經過人或包裹的空氣流；從包裹或行李轉移到樣品捕獲器 的顆粒；從嫌疑犯的手轉移到票或卡的顆粒；直接從嫌疑犯的手轉移到探測 器的樣品收集表面的顆粒；或者其他收集可能具有關注物質的樣品的可選擇 的方法。探測器包括加熱器，用于充分加熱收集到的樣品以使其蒸發。然后 探測器包括輸運氣體源，該輸運氣體將蒸發的樣品輸運到探測器中。用于收 集樣品、蒸發樣品和將樣品輸運到探測器中的裝置可以是已知的裝置，比如 美國專利No. 5200614、美國專利No. 5491331、美國專利No. 6073499、美 國專利申請公開No. 2005/0019220或未決美國專利申請No. 10/929915所公 開的，這些公開的內容在此引入作為參考。
探測器具有用于接收包括蒸發樣品的氣流的入口 ，該樣品用于檢測至少 一種關注物質的存在。探測器進一步包括與入口相通的電離室以及與該電離 室相通的漂移室。
電離室優選為具有入口和出口的通常的杯狀結構。到電離室的入口接收 包括蒸發的樣品的氣體，該樣品將被用于檢測至少一種關注物質的存在。電 離室的出口端優選為橫截面大于入口。電離室優選為由金屬材料形成并包括 放射性材料。優選的電離室由鍍金金屬杯形成并在該杯的內周表面設有放射 性薄片。優選的放射性材料是鎳63。
漂移室具有與電離室的出口相通的入口端。漂移室還包括出口端，而且 在漂移室的出口端附近設置收集電極。漂移電極設置于漂移室的入口端與收 集電極之間，并用于維持有助于離子從電離室到收集電極的控制的向下游漂 移的電場條件。
本發明主題的探測器進一 步包括位于電離室出口的第 一格柵電極以及 位于該第一格柵電極下游方向的第二格柵電極。在探測器運行的離子積累階 段，相對于電離室的壁并相對于第二格柵電極對第 一格柵電極施加微小的電 勢偏置。結果，電離室中生成的離子被吸引到第一格柵電極。更具體地，對 于正離子模式運行(例如麻醉毒品的檢測)施加負偏置，而對于負離子模式 運行(例如爆炸物的檢測)施加正偏置。第一格柵電極和電離室和第二格柵 電極之間的電勢差別小，卻有效地生成"電勢阱"。在運行的離子積累階段， 在第 一 和第二格柵電極之間的電勢阱中積累離子。
探測器通過在第一和第二格柵電極之間短時間地生成電場來將離子引 入漂移室。這有別于現有技術的探測器，現有技術的探測器是通過在電離室 的杯狀壁和格柵電極之間生成電場來將離子引入漂移室。本發明主題的第一 和第二格柵電極共面，基本平行并且靠近在一起。結果，在第一和第二格柵 電極之間產生的電場基本均勻。在第 一和第二格柵電極之間的該電勢阱中加 速的給定類型的離子基本同時并以基本相同的速度向漂移區移動。結果，較
窄譜帶(band)的離子被引入漂移室，從而改善分辨率。另外，由于離子集 中在由第 一和第二格柵電極之間的電勢阱所定義的相對小的空間中，靈敏度 得到改善。
圖1是依照本發明主題的離子捕獲遷移率頻譜儀探測器的示意性截面圖。
具體實施例方式
圖1示出依照本發明主題的離子捕獲遷移率頻譜儀。離子捕獲遷移率頻 譜儀包括通常為柱狀的探測器20,該探測器20 —端具有入口 22用于接收通 過載氣帶來的關注的樣品空氣。如上面在此引入作為參考的專利所述，載氣 可以摻雜有用作電荷轉移媒質的低濃度蒸氣。樣品空氣、載氣和任何可能用 到的摻雜物分子經過入口 22并被擴散器24散布到電離室26中。電離室26 包括由鍍金的導電金屬形成的杯28，杯28具有從入口 22向外延伸的入口端 壁30及從入口端壁30向下游延伸的柱狀或漏斗狀的側壁32。薄片34施加 到柱狀側壁32的內表面。薄片34由發射P粒子的放射性材料比如鎳。或氖 形成。第一格柵電極Gl跨過柱狀側壁32的下游端延伸。第二格柵電極G2 設置于從第一格柵電極G1略向下游處并基本平行于第一格柵電極G1排列。
漂移室40與電離室26的下游端相通。漂移室40包括基本相互平行并 在第二格柵電極G2下游排列的多個開口格柵電極E1 -EN。收集電極42基 本位于漂移室40的下游端并與處理器和讀出裝置相連。漂移室40的下游端 還包括排氣出口以允許氣體從離子捕獲遷移率頻譜儀20流出。
在離子捕獲遷移率頻譜儀的運行周期的離子積累階段期間，由控制器48 對第一格柵電極G1施加相對于杯28和第二格柵電極G2的微小的電勢偏置。
在這點上，在用于探測麻醉毒品的正離子模式運行中將負偏置施加到第 一格 柵電極Gl,而在用于探測爆炸物的負離子模式運行中將正偏置施加到第一
格柵電極G1。結果，在離子捕獲遷移率頻譜儀20的運行的離子積累階段期 間，電離室26中產生的離子被吸引到第一格柵電極Gl。杯28和第二格柵 電極G2之間的第一格柵電極G1的較低電勢造成了電勢阱50，而離子傾向 于在電勢阱50的區域中積累。
然后離子捕獲遷移率頻譜儀進行排出(kick-out)階段以將離子引入漂 移室40。更具體地，當調整第二格柵電極G2到大約漂移室40的漂移場中 最高電勢時，將短延續時間的(例如，0.1 - 0.2毫秒)脈沖施加到第一格柵 電極G1，該最高電勢典型的是大約IOOO伏。這樣，通過在第一和第二格柵 電極G1和G2之間產生電場將離子引入漂移室40，而不是如現有技術那樣 僅僅通過在杯28和第一格柵電極Gl之間產生電場。第一和第二格柵電極 G1和G2是平面的，平行的并且靠近地隔開。這與杯28的非平面構造不同。 結果，在第一和第二格柵電極Gl和G2之間產生的電場是均勻的。給定類 型的離子在大約相同時間以相同速度加速進入漂移室40。結果，較窄譜帶的 離子進入漂移區以獲得增強的分辨率。另外，因為離子集中在定義于第一和 第二格柵電極G1和G2之間的電勢阱50的相對小的空間中，所以靈敏度得 到改善。
盡管本發明關于優選實施例作了描述，顯而易見的是在不脫離由所附權 利要求書所限定的本發明的范圍的前提下，可以進行各種修改。
權利要求
1、一種離子捕獲遷移率頻譜儀，包括入口，用于接收檢測至少一種關注物質的存在的樣品；電離室，具有下游端和與所述入口相通的上游端；漂移室，具有與所述電離室的下游端相通的上游端，和與所述漂移室的上游端相對的下游端；靠近所述漂移室的下游端的收集電極，用于收集經過所述漂移室的離子；第一格柵電極和第二格柵電極，基本在所述電離室的下游端與所述漂移室的上游端之間的分界處基本上相互平行地排列；以及控制器，用于在所述第一格柵電極和第二格柵電極之間積累離子的離子積累階段期間，相對于所述第二格柵電極施加微小的電勢偏置到所述第一格柵電極，所述控制器還運行以施加脈沖到所述第一格柵電極從而將所述第一格柵電極和第二格柵電極之間積累的離子加速到所述漂移室中并朝向所述收集電極。
2、 如權利要求1所述的離子捕獲遷移率頻譜儀，其中當所述脈沖施加 到所述第一格柵電極時，所述第二格柵電極和所述漂移室的上游端被維持在 基本共同的電勢。
3、 如權利要求2所述的離子捕獲遷移率頻語儀，其中當所述脈沖施加 到所述第一格柵電極用于將所述第一格柵電極和第二格柵電極之間的離子 加速到所述漂移室中時，施加大約1000伏的電壓到所述第二格姍電極上。
4、 如權利要求1所述的離子捕獲遷移率頻譜儀，其中所述電離室包括 由導電材料形成的基本上杯狀的室壁。
5、 如權利要求1所述的離子捕獲遷移率頻譜儀，其中所述控制器運行 以對于正離子模式運行施加負偏置到所述第一格柵電極，而對于負離子模式 運行施加正偏置到所述第一格柵電極。
6、 一種運行離子捕獲遷移率頻譜儀以確定樣品中是否存在痕量的關注 物質的方法，所述離子捕獲遷移率頻譜儀具有用于接收檢測痕量的關注物 質的樣品的入口；與所述入口相通電離室；第一和第二基本平行的祐，柵電極， 基本在所述電離室的下游端順次設置；以及在所述第二格柵電極下游的漂移 室，所述方法包括在離子積累階段運行所述離子捕獲遷移率頻語儀，通過相對于所述電離 室的周壁和所述第二祐4冊電極施加電勢偏置到所述第 一格柵電極，從而在所 述第 一格柵電極和第二格柵電極之間定義電勢阱，所述電勢阱在其中積累窄譜帶的離子；施加脈沖到所述第一格柵電極，同時基本將所述第二格柵電極維持在由 所述漂移室定義的電勢，從而將來自定義于所述第一格柵電極和第二格柵電 極之間的所述電勢阱的所述窄鐠帶的離子加速。
7、 如權利要求6所述的方法，其中施加電勢偏置到所述第一格柵電極 的所述步驟包括對于正離子模式運行施加負偏置到所述第一格柵電極，以 探測所述樣品中的麻醉毒品。
8、 如權利要求6所述的方法，其中施加電勢偏置到所述第一格柵電極 的所述步驟包括對于以負模式運行所述離子捕獲遷移率頻譜儀提供正偏置 到所述第一格柵電極，以檢測樣品爆炸物的存在。
9、 如權利要求6所述的方法，其中施加脈沖的所述步驟包括0.1 -0.2 毫秒的持續時間的脈沖。
10、 如權利要求9所述的方法，進一步包括當所述脈沖施加到所述第 一格柵電極時，調整所述第二格柵電極到基本對應于存在于所述漂移室的鄰 近部分中的電壓。
全文摘要
一種離子捕獲遷移率頻譜儀(ITMS)，包括用于接收檢測關注物質的樣品的入口。入口與電離室相通，而漂移室與電離室的下游端相通。第一格柵電極跨過電離室的下游端延伸，而第二格柵電極在第一格柵電極略向下游的方向并與第一格柵電極平行。將微小的電勢偏置施加于第一格柵電極，從而將離子保持在第一和第二格柵電極之間的電勢阱中。然而，向第一格柵電極周期性地施加脈沖以將離子加速到漂移室中。在產生脈沖之前電勢阱中離子的積累，導致注入到漂移室中較窄譜帶的離子并因此獲得較高的分辨率。
文檔編號H01J49/40GK101356432SQ200680050776
公開日2009年1月28日 申請日期2006年12月20日 優先權日2006年1月9日
發明者保羅·E·黑格 申請人:通用電氣安全股份有限公司