本發(fā)明屬于分析儀器與檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜儀及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

離子遷移譜的靈敏度和分辨率是衡量其性能的核心參數(shù)。靈敏度用峰面積衡量，檢測(cè)到的離子數(shù)越多，面積越大，靈敏度越好。而分辨率R＝t/Δt(t指遷移時(shí)間，Δt是遷移譜峰的半高寬)，峰越窄，分辨率越高。然而分辨率和靈敏度是相互制約的，提高分辨率往往以犧牲靈敏度為代價(jià)，反之亦然。離子門是離子遷移譜儀器的核心部件之一，利用非對(duì)稱電壓控制離子門的開關(guān)，可改變遷移管內(nèi)的電場(chǎng)分布，從而改善離子遷移譜的靈敏度或分辨率。

在離子遷移譜中，通常采用單脈沖、對(duì)稱電壓控制Bradbury-Nielson型離子門，其控制方式如圖1所示：離子門由兩組互相間隔排布的平行金屬導(dǎo)線A、B組成，R₁和R₂是分壓電阻，V₀是離子門所處平面的電壓，V_d、t_d分別是離子門關(guān)門電壓的脈沖幅度和寬度，離子門開關(guān)由單脈沖電壓對(duì)稱控制。離子門關(guān)閉時(shí)，由于R₁＝R₂，A、B導(dǎo)線上的電壓分別是V₀+V_d/2和V₀-V_d/2，存在電位差V_d。此時(shí)，如圖1(b)所示，離子門將在遷移管橫截面方向形成關(guān)門電場(chǎng)，離子打到導(dǎo)線A、B上無(wú)法通過離子門。當(dāng)在離子門上施加幅度為V_d的脈沖電壓時(shí)，導(dǎo)線A、B電位相等時(shí)，離子門打開，離子通過而進(jìn)入遷移區(qū)。從圖1(b)、(c)可看出，在這種單脈沖對(duì)稱電壓控制模式下，離子門無(wú)論處于關(guān)閉還是開啟狀態(tài)，遷移管軸線上的電場(chǎng)都接近均勻電場(chǎng)，關(guān)門電壓對(duì)遷移管內(nèi)的電場(chǎng)基本無(wú)影響。

而采用單脈沖、非對(duì)稱電壓控制模式，也就是當(dāng)R₁≠R₂，即R₁＞R₂或R₁＜R₂時(shí)，離子門前后會(huì)出現(xiàn)非均勻電場(chǎng)，從而影響離子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高離子遷移譜的分辨率或靈敏度。

(1)當(dāng)R₁＞R₂，如圖2所示，考慮一種極端情況：即R₂斷開，調(diào)整R₁，使導(dǎo)線A上的電壓為V₀+V_d，導(dǎo)線B上的電壓為V₀，也就是V_A＞V_B，V_A-V_B＝V_d，關(guān)門電壓V_d產(chǎn)生一個(gè)為從導(dǎo)線A(1)到導(dǎo)線B(2)的關(guān)門電場(chǎng)。從圖2(b)的模擬結(jié)果可看出，離子門關(guān)閉時(shí)，關(guān)門電壓V_d會(huì)干擾遷移管內(nèi)電場(chǎng)的均勻性，造成離子門前附近區(qū)域的電場(chǎng)變?nèi)?，而離子門后的 電場(chǎng)由強(qiáng)變?nèi)?。由于離子門前附近區(qū)域的電場(chǎng)變?nèi)?，?dǎo)致聚集在此處的離子數(shù)目減少。當(dāng)離子門開啟后，注入遷移區(qū)的離子數(shù)量相應(yīng)減少，離子遷移譜的靈敏度下降。離子門開啟后又進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)遷移區(qū)的電場(chǎng)呈現(xiàn)由強(qiáng)變?nèi)踮厔?shì)，導(dǎo)致進(jìn)入遷移區(qū)的離子束左邊的電場(chǎng)強(qiáng)度總大于右邊的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此離子束遷移時(shí)，總是被壓縮，使譜峰變窄，分辨率增強(qiáng)。采用這種單脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的方式，和單脈沖、對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜相比，靈敏度降低但分辨率提高了。

(2)當(dāng)R₁＜R₂，如圖3所示，考慮一種極端情況，即R₁斷開，調(diào)整R₂，使導(dǎo)線B上的電壓為V₀+V_d，導(dǎo)線A上的電壓為V₀，也就是V_A＜V_B。在這種單脈沖、非對(duì)稱電壓控制模式下，如圖3所示，離子門關(guān)閉時(shí)，離子門前附近區(qū)域的電場(chǎng)變強(qiáng)，使聚集在離子門前的離子數(shù)目增多，離子門開啟后，更多離子將注入遷移區(qū)；而離子門后的電場(chǎng)由弱變強(qiáng)，會(huì)拖曳離子包，使離子包變寬。采用這種控制模式，和單脈沖、對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜相比，分辨率降低但靈敏度提高了。

綜上分析可知，當(dāng)采用單脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門時(shí)，只能分別提高離子遷移譜的靈敏度或分辨率，而無(wú)法同時(shí)提高它們。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服單脈沖、非對(duì)稱電壓控制方法只能分別提高離子遷移譜的靈敏度或分辨率的不足，提供一種利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜儀及檢測(cè)方法。利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的開和關(guān)，通過雙脈沖電源控制和離子門上的非對(duì)稱電壓對(duì)遷移管內(nèi)電場(chǎng)分布的影響，實(shí)現(xiàn)同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：

一種利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜儀，包括Bradbury-Nielson型離子門、分壓電阻、雙脈沖電源和離子信號(hào)檢測(cè)器，其中，所述的Bradbury-Nielson型離子門由一組位于同一平面且相互平行的金屬導(dǎo)線A和金屬導(dǎo)線B組成，雙脈沖電源通過分壓電阻與金屬導(dǎo)線A連接，或者雙脈沖電源通過分壓電阻與金屬導(dǎo)線B連接，離子信號(hào)檢測(cè)器用于檢測(cè)離子信號(hào)。

一種利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜儀檢測(cè)方法，利用上述的離子遷移譜儀，遷移管中離子門所處位置的電壓為V₀，當(dāng)雙脈沖電源和金屬導(dǎo)線A通過分壓電阻R連接時(shí)，通過選擇合適的分壓電阻R，使金屬導(dǎo)線A上的電壓V_A＝V₀+V_d，V_d為離子門的關(guān)門電壓，而金屬導(dǎo)線B上的電壓V_B＝V₀，關(guān)門電壓V_d產(chǎn)生一個(gè)從金屬導(dǎo)線A到金屬導(dǎo)線B的關(guān)門電場(chǎng)，離子門被關(guān)閉。在這種非對(duì)稱電壓(V_A＞V_B)控制模式下，離子門關(guān)閉時(shí)，離 子門前的電場(chǎng)變?nèi)?，而遷移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)由強(qiáng)到弱變化，要使更多離子聚集到離子門前，提高離子遷移譜的靈敏度，就必須讓離子門前的電場(chǎng)變強(qiáng)，此時(shí)，通過雙脈沖電源，產(chǎn)生第一個(gè)脈沖電壓V_c，V_c脈沖的極性和關(guān)門電壓V_d極性方向相反，金屬導(dǎo)線A上的電壓V_A＝V₀+V_d-V_c，而金屬導(dǎo)線B上的電壓V_B＝V₀，當(dāng)V_B-V_A＝V_c-V_d≥V_d時(shí)，離子門仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，但關(guān)門電場(chǎng)方向變成從金屬導(dǎo)線B到金屬導(dǎo)線A，這個(gè)反向的非對(duì)稱電場(chǎng)會(huì)使離子門前附近區(qū)域的電場(chǎng)增強(qiáng)，把更多離子聚集到離子門附近，當(dāng)離子門開啟后就有更多的離子進(jìn)入遷移區(qū)，從而達(dá)到提高靈敏度的目標(biāo)；緊接著，對(duì)金屬導(dǎo)線A施加第二個(gè)脈沖電壓V_d，使V_A＝V_B＝V₀，金屬導(dǎo)線A、金屬導(dǎo)線B等電位，離子門開啟，聚集在離子門前的離子被注入遷移區(qū)，然后離子門恢復(fù)到初始關(guān)閉狀態(tài)，即：V_A＝V₀+V_d，V_B＝V₀，由于V_A＞V_B，離子門關(guān)門電壓在遷移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的由強(qiáng)到弱的電場(chǎng)壓縮離子束，使其寬度變窄，實(shí)現(xiàn)提高分辨率的目標(biāo)，離子束最終被離子信號(hào)檢測(cè)器被收集和檢測(cè)。利用這種雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制方法可以同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率。

遷移管中離子門所處位置的電壓為V₀，當(dāng)雙脈沖電源和金屬導(dǎo)線B通過分壓電阻R相連時(shí)，金屬導(dǎo)線A的電壓V_A＝V₀。通過選擇合適的分壓電R，可使金屬導(dǎo)線B的電壓V_B＝V₀+V_d，關(guān)門電壓V_d產(chǎn)生一個(gè)為從金屬導(dǎo)線B到金屬導(dǎo)線A的關(guān)門電場(chǎng)，離子門被關(guān)閉。在這種非對(duì)稱電壓(V_A＜V_B)控制模式下，離子門關(guān)閉時(shí)，離子門前附近區(qū)域的電場(chǎng)變強(qiáng)，更多的離子聚集在離子門前，離子門開啟后，更多的離子將進(jìn)入遷移區(qū)，從而達(dá)到提高靈敏度的效果；而遷移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)呈現(xiàn)由弱到強(qiáng)變化，此時(shí)，通過雙脈沖電源在金屬導(dǎo)線B上施加第一個(gè)脈沖電壓V_d，使V_A＝V_B＝V₀，金屬導(dǎo)線A、金屬導(dǎo)線B等電位，離子門開啟，數(shù)量較多的離子注入遷移區(qū)；緊接著雙脈沖電源產(chǎn)生第二個(gè)脈沖電壓V_c，使V_A＝V₀+V_c，而V_B＝V₀+V_d保持不變，當(dāng)V_A-V_B＝V_c-V_d≥V_d時(shí)，關(guān)門電場(chǎng)方向變?yōu)閺慕饘賹?dǎo)線A到金屬導(dǎo)線B，在這種非對(duì)稱電壓(V_A＞V_B)控制模式下，離子門關(guān)閉時(shí)，遷移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生由強(qiáng)到弱的電場(chǎng)而壓縮離子束，使離子束寬度變窄，從而提高離子遷移譜的分辨率，離子束最終被離子信號(hào)檢測(cè)器收集和檢測(cè)，利用這種雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制方法也可以同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率。

當(dāng)雙脈沖電源和離子門的金屬導(dǎo)線A通過分壓電阻R相連，V_A＞V_B時(shí)，雙脈沖電源產(chǎn)生的第一個(gè)脈沖電壓V_c大于兩倍V_d，使V_A＜V_B，離子門前附近區(qū)域的電場(chǎng)增強(qiáng)，把更多離子聚集到離子門附近，實(shí)現(xiàn)提高離子遷移譜靈敏度的目標(biāo)。

當(dāng)雙脈沖電源和離子門的金屬導(dǎo)線B通過分壓電阻R相連，V_A＜V_B時(shí)，雙脈沖電源產(chǎn)生的第二個(gè)脈沖電壓V_c大于兩倍V_d，使V_A＞V_B，遷移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生由強(qiáng)到弱的電場(chǎng)，壓縮離 子束，實(shí)現(xiàn)提高離子遷移譜分辨率的目標(biāo)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子遷移譜的離子門，通過雙脈沖電源分別與Bradbury-Nielson型離子門其中的一組金屬導(dǎo)線連接，雙脈沖電源產(chǎn)生連續(xù)兩個(gè)脈沖信號(hào)，用于同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率，有效解決了離子遷移譜靈敏度和分辨率相互制約的矛盾。

(2)本發(fā)明利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子遷移譜的離子門，通過雙脈沖電源控制和離子門上的非對(duì)稱電壓對(duì)遷移管內(nèi)電場(chǎng)分布的影響，可克服單脈沖、非對(duì)稱電壓控制方法只能分別提高離子遷移譜的靈敏度或分辨率的不足，實(shí)現(xiàn)同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率。

附圖說明

圖1(a)為傳統(tǒng)Bradbury-Nielson型單脈沖、對(duì)稱電壓控制離子門示意圖及遷移管內(nèi)的電場(chǎng)分布示意圖，(b)為離子門關(guān)閉示意圖，(c)為離子門開啟示意圖；

圖2(a)為單脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門，當(dāng)R₁＞R₂，V_A>V_B時(shí)遷移管內(nèi)的電場(chǎng)分布示意圖，(b)為離子門關(guān)閉示意圖，(c)為離子門開啟示意圖；

圖3為當(dāng)R₁＜R₂，V_A<V_B，離子門關(guān)閉時(shí)的遷移管內(nèi)的電場(chǎng)分布示意圖；

圖4為本發(fā)明利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(Ⅰ)為雙脈沖電源和導(dǎo)線A連接示意圖，(Ⅱ)為雙脈沖電源和導(dǎo)線B連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖4所示，本發(fā)明是一種利用雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制離子門的離子遷移譜儀及方法，和傳統(tǒng)的離子遷移譜儀的區(qū)別在于：雙脈沖電源5和Bradbury-Nielson型離子門3中其中一組金屬導(dǎo)線A 1或B 2相連，離子門處于非對(duì)稱電壓控制模式。

如圖4(Ⅰ)所示，當(dāng)雙脈沖電源5和離子門3導(dǎo)線A 1通過分壓電阻R 4相連時(shí)，通過選擇合適的分壓電阻R的數(shù)值3，使金屬導(dǎo)線A 1的電壓V_A＝V₀+V_d，V_d為離子門3的關(guān)門電壓，而金屬導(dǎo)線B 2的電壓V_B＝V₀，關(guān)門電壓V_d產(chǎn)生一個(gè)為從導(dǎo)線A1到導(dǎo)線B 2的關(guān)門電場(chǎng)，離子門3被關(guān)閉。在這種非對(duì)稱電壓(V_A＞V_B)控制模式下，離子門3關(guān)閉時(shí)，離子門3前的電場(chǎng)變?nèi)?，而遷移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)由強(qiáng)到弱變化。要使更多離子聚集到離子門3前，提高離子遷移譜的靈敏度，就必須讓離子門3前的電場(chǎng)變強(qiáng)。此時(shí)，通過雙脈沖電源5，產(chǎn)生第 一個(gè)脈沖電壓V_c，V_c脈沖的極性和關(guān)門電壓V_d極性方向相反。此時(shí)V_A＝V₀+V_d-V_c，V_B＝V₀。當(dāng)V_B-V_A＝V_c-V_d≥V_d時(shí)，離子門3仍然處于關(guān)閉狀態(tài)，但關(guān)門的電場(chǎng)方向變成從導(dǎo)線B 2到導(dǎo)線A1，這個(gè)反向的非對(duì)稱電場(chǎng)會(huì)使離子門3前附近區(qū)域的電場(chǎng)增強(qiáng)，把更多離子聚集到離子門3附近，當(dāng)離子門3開啟后就有更多的離子進(jìn)入遷移區(qū)，從而達(dá)到提高靈敏度的目標(biāo)。緊接著，對(duì)導(dǎo)線A施加第二個(gè)脈沖電壓V_d，導(dǎo)線A1、B 2等電位，離子門3開啟，聚集在離子門3前的離子被注入遷移區(qū)。然后離子門3恢復(fù)到初始關(guān)閉狀態(tài)，即：V_A＝V₀+V_d，V_B＝V₀。由于V_A大于V_B，離子門3關(guān)門電壓在遷移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的由強(qiáng)到弱的電場(chǎng)壓縮離子束，達(dá)到提高分辨率的目標(biāo)。離子束最終被離子信號(hào)檢測(cè)器6被收集和檢測(cè)。利用這種雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制方法可以同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率。

如圖4(Ⅱ)所示，當(dāng)雙脈沖電源5和離子門3導(dǎo)線B2通過分壓電阻R 4相連時(shí)，金屬導(dǎo)線A 1的電壓V_A＝V₀，通過選擇合適的分壓電阻值R 4，可使金屬導(dǎo)線B 2的電壓V_B＝V₀+V_d，關(guān)門電壓V_d產(chǎn)生一個(gè)為從導(dǎo)線B 2到導(dǎo)線A 1的關(guān)門電場(chǎng)，離子門3被關(guān)閉。在這種非對(duì)稱電壓(V_A＜V_B)控制模式下，離子門3關(guān)閉時(shí)，離子門3前附近區(qū)域的電場(chǎng)變強(qiáng)，更多的離子聚集在離子門3前，離子門3開啟后，更多的離子將進(jìn)入遷移區(qū)，從而達(dá)到提高靈敏度的效果；而遷移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)呈現(xiàn)由弱到強(qiáng)變化。此時(shí)，通過雙脈沖電源5在導(dǎo)線B 2上施加第一個(gè)脈沖電壓V_d，使V_A＝V_B＝V₀，導(dǎo)線A 1、B 2等電位，離子門3開啟，數(shù)量較多的離子注入遷移區(qū)；緊接著雙脈沖電源5產(chǎn)生第二個(gè)脈沖電壓V_c，使V_A＝V₀+V_c,而V_B＝V₀+V_d保持不變，當(dāng)V_A-V_B＝V_c-V_d≥V_d時(shí)，關(guān)門電場(chǎng)方向變?yōu)閺膶?dǎo)線A 1到導(dǎo)線B 2，在這種非對(duì)稱電壓(V_A＞V_B)控制模式下，離子門3關(guān)閉時(shí)，遷移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生由強(qiáng)到弱的電場(chǎng)而壓縮離子束，提高離子遷移譜的分辨率。離子束最終被離子信號(hào)檢測(cè)器6收集和檢測(cè)。利用這種雙脈沖、非對(duì)稱電壓控制方法也可以同時(shí)提高離子遷移譜的靈敏度和分辨率。

本發(fā)明說明書未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。