一种实现离子迁移谱单管同时检测正负离子的供电电源以及检测方法

摘要

本发明公开了一种实现离子迁移谱单管同时检测正负离子的供电电源以及检测方法，本方案在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下，在离子迁移管供电单元的分压电阻和高压电源之间增加一极性转换电路，使添加在分压电阻最高和最低的两端电压在控制信号的驱动下能够进行极性的反转，在单次分析中进行一次或者多次的极性反转，在正极性下进行正离子模式的检测，在负极性下进行负离子模式的检测，从而完成单管检测正负离子。本方案能够在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下，实现单次分析完毕就能同时给出正负离子的检测结果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子检测技术，具体涉及离子迁移管技术。

背景技术

离子迁移谱(IMS)是20世纪60年代末出现的，经过几十年的发展已成 为基于分子水平上较成熟的现场痕量检测技术。离子迁移谱仪中的核心部件为 离子迁移管。在离子迁移管中，样品分子在离化源的作用下，可以产生相应产 物离子。将这些产物离子放置在大气环境恒定电场中，它们因受电场的加速和 中性大气分子的碰撞减速，在宏观上就表现为获得了一个恒定的平均速度。由 于不同的产物离子其荷质比、空间几何构型和碰撞截面不同，因而获得的平均 速度也不同，所以在经过一段电场以后他们就被分离，先后到达探测器从而完 成被检测的过程。

参见图1，其所示为传统的离子迁移管结构图。该结构的离子迁移管，其 工作方式描述如下：待测样品的微粒进入离化区，在离化源(通常为⁶³Ni)的作 用下通过质子夺取反应、电子附着反应、电子交换反应等生成相对稳定的产物 离子。产物离子通过离子门的控制在同一时间内成批进入迁移区进行迁移。在 经过一段电场以后他们就被分离，先后到达收集器形成微弱的脉冲电信号，从 而完成被检测的过程。

在图1中Vg和Vd标注的位置即为离子迁移管的离子门，其结构由两个 靠得很近的金属门栅(相互绝缘)，具体参见图2。

在图1中，Vi为离化区电压，Vg为第一个离子门栅的电压，Vd为第二个 离子门栅的电压，同时第二个离子门栅电压又是迁移区的起始端电压(迁移区 上的各电极电压由电阻分压获得)，管体外壳和收集器为零电位。在离子门关 闭的情况下，各电极电压分别为|Vi|＝V1、|Vg|＝V2、|Vd|＝V3，其高低关系如下：

V1>>V3>V2>>0

在开门的瞬间，Vg将被施加一个同原先电压极性相同的脉冲，幅度为ΔV， 这时又有如下关系：

V1>>(V2+ΔV)>V3>>0

显然在离子门关闭时，离子门两个门栅间有一个与迁移区电场方向相反的 电场，离子无法通过。在开门瞬间，反向电场被纠正，离子被允许通过。

参见图3，其所示为传统离子迁移管的供电方式。由图可知，在传统的离 子迁移谱仪中，离子管上各级电压的通常由一组高压电源通过电阻分压获得。

通过上述的传统离子迁移管的工作以及供电方式可知，传统离子迁移管弊 端在于高压电源的接法极性决定了离子迁移管的工作模式。当高压电源连接为 正电源时离子迁移管工作在正离子模式下(主要针对毒品和极个别爆炸物的检 测)，当高压电源连接为负电源时离子迁移管工作在负离子模式下(主要针对 大多数爆炸物的检测)。传统的离子迁移谱仪一次分析只能工作在一种模式下， 这给仪器在现场的应用带来一定的不便。

专利号为200910265443.2的中国专利，公开了一种双极型离子迁移管，为 了能够同时全面地反映待测物被离子源电离所产生的正、负产物离子信息，其 对离子迁移管的结构进行非常大的改动，使得离子迁移管的结构变得非常的复 杂，这将大大影响离子迁移管工作的稳定和可靠性，除此之外，其操作也表的 复杂、成本也将大大提高。

发明内容

针对上述现有离子迁移管所存在的问题，本发明的目的在于提供一种实现 离子迁移谱单管同时检测正负离子的供电电源。

在此基础上，本发明还提供一种用于传统离子迁移谱单管同时检测正负离 子的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的目的：

一种实现离子迁移谱单管同时检测正负离子的供电电源，所述供电电源包 括高压电源以及分压电阻，该供电电源还包括极性转换电路，所述极性转换电 路在离子迁移谱单管检测分析时将高压电源的正、负极正负交替加到分压电阻 的高、低两端，使得离子迁移谱单管在一次分析中同时检测正负离子。

在该供电电源的优选方案中，所述极性转换电路中包括四个高压场效应 管，所述四个高压场效应管通过有效开合，将高压电源的正、负极正负交替加 到分压电阻的高低两端。

再进一步的，所述高压电源的正极连接到第一高压场效应管的漏极和第三 高压场效应管的漏极，高压电源的负极连接到第二高压场效应管的源极和第四 高压场效应管的源极；第一高压场效应管的源极连接到第二高压场效应管的漏 极，并作为输出连接至分压电阻的一端，第三高压场效应管的源极连接至第四 高压场效应管的漏极，并作为输出连接至分压电阻的另一端。

进一步的，每个高压场效应管由光耦驱动器驱动。

再进一步的，所述光藕驱动器的控制端连接3.3V电压和脉冲电压控制信 号，光藕驱动器的驱动端驱动连接高压场效应管的栅极，其驱动电压由隔离电 源提供。

再进一步的，所述脉冲电压控制信号包括控制信号CTRL+和控制信号 CTRL-，所述控制信号CTRL+和控制信号CTRL-为+3.3V的CMOS电平信号， 两者都是低电平有效，高电平无效，并且控制信号CTRL+和控制信号CTRL- 不同时处于低电平状态，当其中一控制信号处于高电平状态稳定Δt时间后另 一控制信号才能处于低电平状态，Δt时间与场效应管完全关闭时间相对应。

再进一步的，所述控制信号CTRL+加载在驱动第一和第四高压场效应管 的光藕驱动器的控制端；所述控制信号CTRL-加载在驱动第二和第三高压场效 应管的光藕驱动器的控制端。

作为第二目的，一种用于传统离子迁移谱单管同时检测正负离子的方法， 该方法通过在离子迁移谱单管的单次检测分析中至少一次反转加载在分压电 阻高、低两端的电压极性，由此完成单次分析中同时检测正负离子。

在该方法的优选方案中，所述方法将高压电源的正负极通过四个高压场效 应管的有序开合，正负交替加到分压电阻的高低两端。

进一步的，所述方法中由光藕驱动器基于CMOS电平信号CTRL+和 CTRL-控制四个高压场效应管，当控制信号CTRL+和CTRL-都处于高电平状 态时，与这两个信号连接的四个光藕驱动器都处于关闭状态，四个高压场效应 管无法得到有效驱动而关断，此时离子迁移管处于无电场状态；

当控制信号CTRL+处于低电平状态而控制信号CTRL-处于高电平状态 时，与控制信号CTRL+连接的两个光藕驱动器处于打开状态，与控制信号 CTRL-连接的两个光藕驱动器处于关闭状态，第一和第四高压场效应管得到有 效驱动而打开，第二和第三高压场效应管无法得到有效驱动而关断，此时离子 迁移管处于正电场状态；

当控制信号CTRL-处于低电平状态而控制信号CTRL+处于高电平状态 时，与控制信号CTRL-连接的两个光藕驱动器处于打开状态，与控制信号 CTRL+连接的两个光藕驱动器处于关闭状态，第二和第三高压场效应管得到有 效驱动而打开，第一和第四高压场效应管无法得到有效驱动而关断，此时离子 迁移管处于负电场状态，从而实现离子迁移谱单管检测模式的转换。

本发明提供的方案能够在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下，使离 子迁移管在一次分析中能够交替工作在正负离子模式下，实现单次分析完毕就 能同时给出正负离子的检测结果。

采用本发明提供的方案，能够让传统的离子迁移管在一次分析10秒钟的 时间内能进行40次以上的极性反转并测量，在单次分析以后能同时给出正离 子和负离子的检测结果，使传统离子迁移管不仅能进行毒品和爆炸物的同时探 测，还为化学战剂和一些其他种类的化学品探测提供了广阔的可能性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为传统离子迁移管结构示意图；

图2为传统离子迁移管中离子门栅的结构示意图；

图3为传统离子迁移管的供电方式示意图；

图4为本发明中离子迁移谱单管供电单元的电路原理图；

图5为本发明中控制信号的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明通过在传统离子迁移谱单管(以下简称离子迁移管)的单次检测分 析中至少一次反转加载在分压电阻高、低两端的电压极性，使离子迁移谱单管 在一次分析中能够交替工作在正负离子模式下，由此完成单次分析中同时检测 正负离子，这样单次分析完毕就能同时给出正负离子的检测结果。

在此原理的基础上，本发明在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下， 通过对传统离子迁移管的供电单元(由分压电阻和高压电源组成)进行改进， 在分压电阻和高压电源之间增加一极性转换电路，通过该极性转换电路将高压 电源的正、负极正负交替加到分压电阻的高、低两端，这样使得高压电源采用 输入输出隔离的电源形式的前提下，使添加在分压电阻最高和最低的两端电压 在控制信号的驱动下能够进行极性的反转，从而实现在单次分析中进行一次或 者多次的极性反转，在正极性下离子迁移管进行正离子模式的检测，在负极性 下离子迁移管进行负离子模式的检测，从而完成单管检测正负离子。

参见图4，其所示为一种能够实现上述方案的离子迁移管的供电单元电路 原理图。

由图可知，在该供电单元中，极性转换电路主要由四个高压场效应管1、 2、3、4组成，这四个高压场效应管通过有效开合，将高压电源的正、负极正 负交替加到分压电阻的高低两端。

具体的，高压电源的正极连接到第一高压场效应管1的漏极和第三高压场 效应管3的漏极，高压电源的负极连接到第二高压场效应管2的源极和第四高 压场效应管4的源极；同时第一高压场效应管1的源极连接到第二高压场效应 管2的漏极，并作为输出连接至分压电阻的高端，第三高压场效应管3的源极 连接至第四高压场效应管4的漏极，并作为输出连接至分压电阻的低端。

为了有效控制四个高压场效应管通过有效开合，本发明通过四个光耦驱动 器分别来驱动这四个高压场效应管。

其中，驱动第一高压场效应管1的光耦驱动器，其控制端由3.3V电压和 控制信号CTRL+构成，驱动端驱动连接第一高压场效应管1的栅极，而驱动 端驱动电压V1+和V1-由一组隔离电源提供。

驱动第二高压场效应管2的光耦驱动器，其控制端由3.3V电压和控制信 号CTRL-构成，驱动端驱动连接第二高压场效应管2的栅极，而驱动端驱动电 压V2+和V2-由一组隔离电源提供。

驱动第三高压场效应管3的光耦驱动器，其控制端由3.3V电压和控制信 号CTRL-构成，驱动端驱动连接第三高压场效应管3的栅极，而驱动端驱动电 压V3+和V3-由一组隔离电源提供。

驱动第四高压场效应管4的光耦驱动器，其控制端由3.3V电压和控制信 号CTRL+构成，驱动端驱动连接第四高压场效应管4的栅极，而驱动端驱动 电压V4+和V4-由一组隔离电源提供。

这里所有的光藕驱动器、高压场效应管和隔离电源都为高压耐压、高隔离 电压的器件。其耐压和隔离电压值取决于迁移管的工作电压值(即高压电源的 输出值)。以高压电源输出2000V为例，高压场效应管的耐压值必须不小于 4000V(即两倍的高压电源输出值)，光藕驱动器和隔离电源的隔离电压值必须 不小于4000V(即两倍的高压电源输出值)。

而加在光藕驱动器控制信号脚CTRL+、CTRL-上的控制信号如图5所示， 控制信号CTRL+和CTRL-都为CMOS电平(+3.3V)信号，CTRL+和CTRL- 都是低电平(0V)有效，高电平(+3.3V)无效，并且控制信号CTRL+和CTRL- 不可同时处于低电平状态，必须其中一个处于高电平状态稳定Δt时间后另一 个才能处于低电平状态。

其中Δt的时间间隙与场效应管完全关闭时间相对应，为了等待场效应管 完全关闭，避免高压短路。

由此形成的离子迁移谱单管工作检测正负离子时(参见图5)，当控制信 号CTRL+和CTRL-都处于+3.3V高电平状态时，与这两个信号连接的四个光 藕驱动器都处于关闭状态，四个高压场效应管无法得到有效驱动而关断，此时 离子迁移管处于无电场状态；

当CTRL+为0V，CTRL-为+3.3V的时候，与CTRL+连接的两个光藕驱动 器处于打开状态，与CTRL-连接的两个光藕驱动器处于关闭状态，相应的造成 高压场效应管1和4得到有效驱动而导通，高压场效应管2和3无法得到有效 驱动而关断，此时离子迁移管工作在正离子模式下；

当CTRL-为0V，CTRL+为+3.3V的时候，与CTRL-连接的两个光藕驱动 器处于打开状态，与CTRL+连接的两个光藕驱动器处于关闭状态，相应的造 成高压场效应管1和4得到有效驱动而导通，高压场效应管2和3无法得到有 效驱动而关断，此时离子迁移管工作在负离子模式下。

在离子管外加电场电压切换的过程中，由于离子管和外围的分压电路并不 是完全的电阻性负载而是带有部分的电容或者电感特性，另外高压场效应管的 驱动控制端也带有一定的电容性，因此为了安全性的考虑，在CTRL+和 CTRL-交替切换过程中必须留出时间间隙Δt，以保证所有器件的充分放电从而 避免压场效应管未完全关闭的状态。

由此，本发明能够在不改变传统离子迁移管结构设计的前提下，仅通过改 变高压供电部分的电路设计，使离子迁移管在一次分析中能够交替工作在正负 离子模式下，实现单次分析完毕就能同时给出正负离子的检测结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。