基于脈沖電暈放電電離源的離子遷移譜儀設計與實現

李平

(1.中國科學院電子學研究所，傳感技術國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

離子遷移譜(IMS)作為一種常壓下的痕量物質檢測手段，具有靈敏度高、響應速度快、線性范圍廣等優點，廣泛應用于化學毒劑、爆炸物和VOCs的檢測[1]。由于IMS具有現場快速檢測的優點，近些年來，關于IMS用于食品、制藥領域的質量控制和生產過程監控的研究日益增多[2]。電離源作為IMS的核心部件之一，一直受到人們關注。最早的IMS檢測儀器使用放射性物質(如鎳、氚和镅等)作為電離源。但是，放射性物質的使用需要審批和特殊管理，并且存在潛在的安全隱患。在研制出的各種替代放射性的電離源中，電暈放電(CD)電離源由于具有無放射性、離子電流大、設計安裝簡單等優點受到人們的青睞。CD電離源包括直流電暈放電電離源和脈沖電暈放電電離源。目前，對直流CD電離源的研究較多，并已經有應用實例。但是，直流CD電離源還存在以下不足：功耗相對較高、離子利用率低、會產生大量的NOX和O3等氧化性氣體等。理論上，脈沖CD電離源不但能夠大大降低功耗、延長針尖壽命、減少甚至消除氮氧化物的生成，同時能夠去除離子柵門從而簡化IMS結構，這對于IMS的小型化和實用化都大有意義。國內外相繼開展了脈沖CD-IMS的研究[3-7]，但大多采用商品化脈沖發生裝置以及氮氣漂移氣，增加了系統體積、功耗和成本；關于實際物質測試，尤其是負模式譜圖特性及無離子門情況下樣品檢測效果的報導較少。

針對上述問題，本研究設計并實現了可用于脈沖CD-IMS的針-針結構電離源和脈沖發生電路，優化了電路參數，搭建了體積小、功耗低且不使用離子柵門的脈沖CD-IMS裝置。實驗結果表明，設計的脈沖CD-IMS裝置信噪比高、穩定性好且有較高的分辨率。

1 儀器設計

1.1 電離源結構及高壓脈沖發生電路

根據氣體放電理論，氣相分子的電離需要局部強電場。因此，目前基于電暈放電理論的電離源多采用不對稱結構，如：針-板，針-網，針-環等。研究表明[6]，同等條件下針-網結構較針-板結構有更大的離子電流。由此可知，對稱的針-針結構也可滿足氣體放電的需要，同時兩電極的面積更小，有利于提高離子利用率，增大離子電流，進而簡化信號的采集過程并能夠提高檢測的靈敏度。設計了基于針-針電極結構的電離源，具體結構如圖1所示。兩個不銹鋼針電極間距約為3mm，外套陶瓷管確保電極間的絕緣。支架采用絕緣性較好的聚四氟乙烯材料制備。

圖1 脈沖電暈放電電離源結構示意圖

為了使電離源正常工作，需設計高壓脈沖發生電路。目前，高壓脈沖電源在靜電除塵領域的應用研究較多。現有的獲得高壓脈沖的方式主要有兩種：一種是通過脈沖變壓器實現，另一種是通過高壓開關直接獲得。其中，第一種方式具有結構簡單、體積小、功耗低等優點。因此，本研究采用第一種方式產生高壓脈沖，設計的高壓脈沖發生電路原理如圖2所示。

圖2 高壓脈沖發生電路原理圖

其中，開關J1是可控開關，控制信號由STM32單片機產生，R為保護電阻。首先，開關處于1位置，直流電源電壓Vcc對電容充電。之后，開關撥至2位置，電容放電并與變壓器的的初級線圈一起構成L-C震蕩回路。由于電路中電抗的存在，初級線圈兩端會出現幅值衰減的脈沖信號。經過變壓器升壓后，即可得到高壓脈沖信號。該電路原理和結構簡單，有利于IMS的小型化。

1.2 其它結構設計

最終設計的離子遷移譜裝置結構如圖3所示，主要包括電離源、漂移管和信號檢測3個部分。電離源使用前述的針-針結構電離源和高壓脈沖發生電路。漂移管為實驗室自制，漂移區長度約為10cm，直徑約為1.5cm，2500V直流高壓經過電阻分壓作為漂移電場。采用密閉循環氣路形式，通過隔膜泵實現氣體的循環流動，采用單向反吹以減少氮氧化物等活性分子的影響。為保證循環氣清潔干燥，在氣路中使用了13X分子篩對水氣和雜質進行吸附。信號檢測方面，法拉第盤上的小電流信號經過兩級放大和簡單電容去噪之后接入示波器(Tektronix TDS1002B-SC)進行觀察。對甲基磷酸二甲酯(DMMP)和水楊酸甲酯進行檢測時，在室溫下用注射器抽取其液體樣品飽和蒸汽，用潔凈空氣稀釋后從進樣口注入。不同于傳統的直流CD-IMS，整個裝置沒有離子門和相關的控制電路，大幅簡化了整體結構。

圖3 脈沖CD-IMS裝置結構示意圖

2 實驗結果與討論

2.1 電路參數的選擇

為保證電離源的可用性并降低功耗，需要對電路參數進行優化選擇。

首先，在電源電壓Vcc=17V，充電電容=30μF，保護電阻R=300Ω條件下，對電路進行測試，得到的典型高壓脈沖波形如圖4(a)所示。可以看出，輸出脈沖的峰值電壓可達2.6kV，2kV以上持續時間約為2μs，上升時間約為500ns～600ns，滿足電暈放電需要。

圖4 脈沖發生電路典型波形和特性曲線

脈沖電壓幅值是能否發生電暈放電的決定性因素，而脈沖幅值由充電電容和電源電壓Vcc決定。同時，和Vcc對電路功耗也起著決定性作用。實驗中對充電電容和電源電壓Vcc與脈沖輸出幅值的關系進行了研究。得到結果如圖4(b)所示。可以看出，電容固定時，隨著Vcc的增大，脈沖幅值也逐漸增大，但兩者無法維持線性關系。這是由于Vcc較大時，變壓器上的損耗會迅速增大，并成為限制輸出幅值的決定性因素。從輸出幅值范圍考慮，電容大于3μF時，在電源電壓可調范圍內，脈沖電壓幅值均可達～2.6kV。從功耗考慮，小電容單次放電功耗更低，經測試和計算，當=3μF、Vcc=15V時，單次放電消耗能量約為340μJ，且較快的充放電速度也有利于提高IMS的響應速度。綜上，脈沖發生電路充電電容選取3μF，電源電壓Vcc根據實際需要調整。

優化后的脈沖CD-IMS裝置參數如表1所示。

表1 脈沖CD-IMS裝置參數

2.2 脈沖CD-IMS的空白譜圖

通過測試得到了所設計的脈沖CD-IMS裝置在潔凈空氣中正、負模式下的空白譜圖，如圖5所示。

圖5 CD-IMS的空白譜圖

圖5(a)和(b)中第一個向下的尖峰是針-針電極放電時法拉第盤上的感應信號，對于脈沖CD-IMS，可以將此信號看作是離子漂移的開始時刻。后面較大的信號即為反應離子峰。由圖5(a)可知，在正模式不摻雜情況下，反應離子峰強度為1.38V，漂移時間為17.80ms，半高寬為2.20ms，分辨率為8.09。使用四丁基溴化銨對反應離子峰進行了標定。四丁基溴化銨對應的漂移時間為27.80ms，約化遷移率為1.33cm2/(V·S)。據此計算出該反應離子的約化遷移率為2.08cm2/(V·S)，與文獻[1]中約化遷移率2.10cm2/(V·S)相符。由圖5(b)可知，在負離子模式下，反應離子峰出現了“削頂”的現象。這是由于負模式下產生的離子數量較大，經過放大后超出了放大器的范圍。反應離子峰漂移時間為17.20ms，半高寬約為1.60ms，分辨率為10.75。譜圖可看出3個峰，推測其分別為、和。不同于直流CD-IMS在負模式下的大量，脈沖放電產生的活性分子較少，因此空白譜中強度較小0。由于不使用離子門，離子利用率高，離子電流較大，即使不經過復雜的去噪處理也能夠得到信噪比較大的信號。

為驗證電離源工作的穩定性，對正模式下IMS反應離子峰的強度進行了長時間監測，每隔10min記錄一次信號幅值，連續記錄5小時，結果如圖6所示。

圖6 脈沖CD-IMS信號強度的穩定性

經過計算，信號均值為1.307V，最大偏差為3.6%，標準偏差為1.56%。可以看出，設計制備的電離源能夠實現穩定放電并產生穩定的IMS反應離子電流。

2.3 脈沖CD-IMS的DMMP及水楊酸甲酯測試

在摻雜條件下，分別在正負模式下對DMMP和水楊酸甲酯進行測試，結果如圖7所示。

圖7 (a)DMMP及(b)水楊酸甲酯脈沖CD-IMS譜圖

3 結論

設計并實現了基于脈沖電暈放電的針-針電極結構和高壓脈沖發生電路，將其與自制的漂移管結合搭建了CD-IMS裝置。實驗證明，設計的基于脈沖放電電離源的離子遷移譜裝置能夠在不加離子門的情況下可實現正、負離子模式下的物質檢測，對DMMP和水楊酸甲酯均表現出了較好的響應，并且結構簡單、體積小、功耗低、穩定性好，有利于IMS儀器的進一步小型化。

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