用于雙模式離子漂移管系統的法拉第盤離子檢測器

李　彬　鄭海東　范志永　郝鳳龍　賈二慧

(公安部第一研究所，北京 100044)

?

用于雙模式離子漂移管系統的法拉第盤離子檢測器

李彬鄭海東范志永郝鳳龍賈二慧

(公安部第一研究所，北京 100044)

雙模式離子漂移管系統含有脈沖高壓電場、大電流加熱和氣路驅動3種強電磁干擾源。為了提高離子檢測器的靈敏度，必須抑制漂移管遷移區的脈沖高壓電場、大電流、靜電及其它環境噪聲。本實驗研制了一種新型的法拉第盤離子檢測器，可有效抑制上述噪聲，滿足現有雙模式離子漂移管系統對離子檢測器的要求。

雙模式離子漂移管系統法拉第盤離子檢測器噪聲抑制

1 引言

離子遷移譜檢測技術(ion mobility spectrometry，IMS)是上個世紀60年代末70年代初發展起來的一種痕量化學物質分析檢測技術[1,2]。該技術基于氣相中不同的氣相離子在電場中遷移速度的差異來對化學離子物質進行表征[3]。IMS具有便攜、快速、低功耗、低成本、高靈敏度等優點，IMS儀器已經在爆炸物、毒品以及有毒化學氣體檢測方面得到了廣泛的應用[4,5]。

雙模式離子遷移譜的基本原理是通過檢查帶電離子在脈沖高壓電場下遷移率的不同實現對物質種類的識別，高靈敏度的雙模式離子漂移管系統必然對離子檢測器提出更高的要求。由于雙模式離子漂移管系統含有脈沖高壓電場、大電流加熱和氣路驅動3種強電磁干擾源，為了實現高靈敏度的檢測，必須抑制遷移區的脈沖高壓電場、人體靜電及其它環境噪聲。又因為離子遷移譜檢測環境為大氣壓條件下，這限制了電子倍增器等離子檢測器件的應用[6，7]。由于離子漂移的檢測靈敏度可達到納克量級，離子信號微弱，必須提高離子檢測器的靈敏度。

法拉第盤離子檢測器具有結構簡單、易于微型化、量程大、穩定性高、可在大氣壓環境下工作等優點，使之廣泛應用于FAIMS[8-10]、IMS[11]、微型質譜儀[12]等領域。法拉第盤一般分靜態與動態兩種工作模式。動態模式中，帶電粒子與法拉第盤不接觸，通過感生電流來檢測帶電粒子的束流強度[13]。靜態模式中，帶電粒子與法拉第盤敏感極碰撞，通過電荷的轉移來檢測帶電粒子束流強度。在靜態工作模式中，當帶電粒子接近法拉第盤時，也會存在動態模式下的感生電流，動態感生電流就可能成為靜態工作模式的偽信號，必須進行感生信號的屏蔽。本研究采用的是靜態模式。

雙模式離子遷移譜對法拉第盤的要求是檢測信號弱、離子能量低、結構微型化。由于離子遷移都是在高壓脈沖電場驅動進行的，所以在設計法拉第盤時，要優先考慮抗電磁干擾的影響。本研究設計了一種新的應用于雙模式離子遷移譜系統的法拉第盤離子檢測器，它能夠在大氣壓環境工作，抗電磁干擾能力強，適合檢測離子能量低的氣態離子束流。

2　法拉第盤設計

典型的法拉第筒結構如圖1所示，主要包括抑制柵極、屏蔽殼和敏感極[12]。

IMS系統低的離子能量使得離子與法拉第盤敏感極碰撞時，不會發生帶電離子與法拉第盤表面的彈性散射，且不會產生二次電子，因此無需采用具有一定深度的法拉第杯吸收散射離子信號，可以采用法拉第盤。由于法拉第盤接受面為平面，離子束流展寬不會帶來信號展寬。同時為了抑制感應電流造成的信號展寬，本實驗設計的法拉第盤增加了感應屏蔽柵網，所設計的法拉第盤離子探測器剖視圖如圖2所示。

屏蔽柵網1和外殼8上加80V的脈沖電壓，離子在漂移管中向法拉第盤的方向運動，到達敏感電極2，帶電離子被2接受，通過信號引出極6進入小信號放大器，4是漂移氣體入口。當漂移離子接近但未達到法拉第盤時，會在法拉第盤上感應出電流，造成測得的離子電流峰比實際峰值位置提前而且波形失真，因此，需要在法拉第盤前固定一個屏蔽柵網1，以減小感應電流的影響。屏蔽柵網還可以防止電荷的堆積，提高探測效率，并可以屏蔽由于離子門開啟和關閉時電壓脈沖所造成的噪聲。敏感電極2是檢測器的核心部分，選用低電阻率的銅是為了防止電荷在敏感極表面積累，降低系統的響應時間。離子電荷在銅表面的電荷轉移完全依賴銅導體的表面物理效應，因此，為了防止銅敏感極的氧化及污染，對敏感極表面經過鍍金處理。

由于敏感電極前屏蔽柵網存在射頻脈沖電壓，IMS系統對離子檢測器噪聲抑制能力的要求比傳統的法拉第盤更強。為了消除屏蔽柵網1和外殼8上射頻脈沖的影響，需要增加信號屏蔽電極3，并需要使屏蔽電極3與IMS系統共地。

3　實驗與分析

實驗所設計的法拉第盤用于正負兩種離子同時檢查的雙模式離子漂移管中，漂移管的基本結構如圖3所示。它包括載氣和樣品入口、電離源區、離子門、遷移區和探測器(法拉第盤)等幾個部分。實驗過程及相關參數設置如下。

漂移管的最前部是樣品入口，被測樣品在載氣(凈化過的空氣，carrier gas)的帶動下由此進入電離區，本實驗的IMS采用Ni63放射性電離源。樣品分子在離化區里形成離子后，并不直接進入遷移區，而是先集結在離子門的前部，只有在離子門開啟時，才能同步進入遷移區中進行漂移。在漂移管的后部還需充入遷移氣體(drift gas)，遷移氣為純凈的空氣。當離子在遷移區內漂移時，會碰上從漂移管尾部吹來的遷移氣體。漂移管的末端是離子檢測器，用以獲得離子信號，本實驗采用一個法拉第盤，由法拉第盤采集到的電荷變成電流，經放大后進入信號處理系統，對信號進行處理后得到數據譜圖。

為了實現正負離子雙模式數據采集，在電離源(E1)和離子柵門上(E2)加如圖4所示的脈沖電壓，圖5給出實際檢測過程中用示波器俘獲的電離源上所加高壓的時序圖，電壓幅值為1000V左右，而地電極加在法拉第信號接收器(Ground)上，通過分壓電阻實現對漂移管內電壓的均勻分布。脈沖周期約66ms，在每個半周期的第13ms左右，電離源上附加一個把離子推出電離源的開關電壓400V左右，脈沖寬度約200μs，離子被推出電離源后進入漂移管，同時開始數據采集，采集時間約20ms，進入半個周期的末端，進入儀器狀態數據的采集。

圖6是實驗過程中，對空氣進行采樣所獲得的離子遷移譜圖，A、C兩個圖是負離子圖譜，主要是氧負離子形成的，B、D兩個圖為正離子圖譜，

主要

是H離子形成的絡合離子。A、B為未添加小信號屏蔽獲得的譜圖，C、D為增加屏蔽后得到的譜圖。從A、B兩圖干擾信號可以看出，干擾噪聲的規律性很強，主要來自脈沖高壓和大電流。通過A和C、B和D圖的實驗結果對比，可以看出，所設計的法拉第盤接收器對脈沖電壓和大電流的噪聲抑制能力很強，能夠滿足離子漂移管檢測系統的要求。

4　結論

本實驗研制的法拉第盤離子檢測器能夠很好的屏蔽遷移區脈沖高壓電場、大電流磁場及環境中的其它噪聲。實驗結果表明，通過增加屏蔽柵網有效降低感應電流，降低系統的響應時間，通過增加屏蔽電極，消除了射頻脈沖電壓的串擾，減少了感應信號的干擾，提高了信號的信噪比。該法拉第盤離子檢測器能夠有效抑制噪聲，完全能夠滿足IMS系統對離子檢測器的要求。該離子檢測器也可以作為FAIMS(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry)、微型質譜儀等分析儀器的離子檢測器。

[1]Karasak F W．Plasma chromatography[J]．AnalChem，1974，46(6)：710．

[2] Eiceman G A, Karpas Z．Ion Mobility Spectrometry[M]．Boca Raton：CRC Press，1994．

[3] Eiceman G A, Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry. 2nd ed. Boca Raton:CRC Press,2005:3.

[4]Steinfeld J I，Wormhoudt J．Explosives detection：a challenge for physical chemistry[J]．Annu Rev PhysChem，1998，49(1)：203．

[5]Eiceman G A．Ion mobility spectrometry as a fast monitor of chemical composition[J]．Trends in Anal Chem，2002，21(4)：259．

[6]Tremsin A S. The microsphere plate: a new type of electron multiplier[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1996,368:719-730.

[7] Fraga F A F. CCD readout of GEM-based neutron detectors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2002,478:357-361.

[8] Miller R A. A novel micromachined high-field asymmetric waveform-ion mobility spectrometer[J]. Sensors and Actuators B, 2000, 67:300-306.

[9] Guevremont R. High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry: A new tool for mass spectrometry[J]. Journal of Chromatography A, 2004,1058:3-19.

[10] 時迎國.VUV電離離子遷移譜技術在VOCs測量中的應用[D]。大連：中國科學院大連化學物理研究所, 2006:27-35.

[11]王曉浩，張亮，唐飛.用于FAIMS系統的法拉第筒離子檢測器.儀器儀表學報， 2010，(31)：1.

[12] Sillon N. micromachined mass spectrometer[J]. Sensors and Actuators B, 2002, 83:129-137.

[13] Kucerovsky D, Kucerovsky Z. Analysis of the dynamic faraday cup[J]. J Phys D Appl Phys, 2003, 36:2407-2416.

[14] Wethekam S, Winter H. Study on interactions of He atoms and ions with an Al(111) surface[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2007, 258:7-12.

A new type of Faraday plate ion detector for the double mode ion drift tube system.

Li Bin, Zheng Haidong, Fan Zhiyong, Hao Fenglong, Jia Erhui

(TheFirstResearchInstituteofMinistryofPublicSecurityofChina,Beijing100044,China)

In this paper, a new type of Faraday plate ion detector is introduced. It can suppress the pulse high voltage electric field, high current, static electricity and other environmental noise in the drift tube, and satisfy the requirements of the existing double mode ion drift tube system.

double mode ion drift tube system; Faraday plate; ion detector, noise suppression

2015-11-02

國家十二五科技支撐計劃項目 (2013BAK14B01)

李彬，男，1979年出生，副研究員，E-mail:tshlib@126.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.003