用于光谱测定的介电势垒放电电离源

摘要

电离设备包括第一电极，该第一电极包括涂覆有介电层的导电组件。所述电离设备还包括脊柱，该脊柱邻近所述第一电极延伸并且至少部分地沿着所述第一电极延伸。所述电离设备还包括第二电极，该第二电极包括邻近所述第一电极布置的导电段。每一个所述导电段在各自的接触位置处接触所述脊柱。所述第一电极的所述介电层将所述第一电极的导电组件与所述脊柱和所述第二电极分离。所述电离设备被配置成产生与所述第一电极和所述第二电极的交叉处相对应的等离子体生成位置。

说明书

本申请要求2013年11月26日提交的美国临时申请No.61/908,887的权益，该申请 的全部内容通过引用合并到本申请中。

背景技术

离子迁移谱(IMS)被用于通过对样本气体的构成离子进行飞行时间分析来确定样 本气体的组分。为了实现该目的，样本气体的中性原子遭受电离处理，该电离处理包括：由 高能电子进行直接轰击以促使从中性原子或分子中释放次级电子并产生主正(+)离子；使 低能电子依附于中性原子或分子上以产生负(-)离子；在离子与中性原子或分子之间进行 化学反应和电荷交换；将离子依附于中性原子或分子上；以及在带电粒子之间执行重组过 程。在离子的组分已经稳定之后，通过使用均匀电场来控制这些离子定期进入漂移管的漂 移区内。一旦进入到漂移区内，它们的不同迁移率和因而产生的化学特性就基于它们的离 子电荷、离子质量和离子形状而被确定。

发明内容

电离设备包括第一电极，该第一电极包括涂覆有介电层的导电组件。所述电离设 备还包括脊柱，该脊柱邻近所述第一电极延伸并且至少部分地沿着所述第一电极延伸。所 述电离设备还包括第二电极，该第二电极包括邻近所述第一电极布置的导电段 (conductivesegment)。每一个所述导电段在各自的接触位置处接触所述脊柱。所述第一 电极的所述介电层将所述第一电极的导电组件与所述脊柱和所述第二电极分离。所述电离 设备被配置成产生与所述第一电极和所述第二电极的各个交叉处相对应的等离子体生成 位置。

提供本发明内容部分，以通过简化形式介绍以下将在具体实施方式部分进一步描 述的概念的选择。本发明内容部分并非意欲认定所要求保护的主题的关键特征或必要特 征，也非意欲用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

将参照附图进行详细描述。在说明书和附图中，不同实例中相同参考标号的使用 可以指示类似或相同的项。

图1是根据本公开示例实施方式的包括电离设备的IMS设备的剖面侧视图；

图2A是根据本公开示例实施方式的用于IMS设备(例如图1所示的IMS设备)的电离 设备的局部剖面侧视图；

图2B是图2A所示的电离设备的局部剖面端视图；

图2C是根据本公开示例实施方式的用于IMS设备(例如图1所示的IMS设备)的电离 设备的局部剖面端视图，其中该电离设备包括导电支撑部，该导电支撑部包括具有被施加 于其上的导电材料的非导电支撑材料；

图2D是根据本公开示例实施方式的用于IMS设备(例如图1所示的IMS设备)的电离 设备的局部剖面端视图，其中该电离设备包括多个涂覆电介质的电极，所述涂覆电介质的 电极局部环绕导电支撑部；

图2E是根据本公开示例实施方式的用于IMS设备(例如图1所示的IMS设备)的电离 设备的局部剖面侧视图，其中该电离设备包括位于螺旋电极(coiledelectrode)外部的导 电支撑部，且其中该螺旋电极具有与所述导电支撑部的导电表面的外部并行接触；

图3A是根据本公开示例实施方式的示出了用于IMS设备(例如图1所示的IMS设备) 的电离设备的俯视图，其中该电离设备具有平面结构；

图3B是图3A所示的电离设备的局部剖面侧视图；以及

图3C是根据本公开示例实施方式的示出了用于IMS设备(例如图1所示的IMS设备) 的电离设备的俯视图，其中该电离设备具有平面结构，该平面结构具有由分支平面电极限 定的多个缝隙。

具体实施方式

电离过程的初始部分所需的主电子通常由放射性β粒子源(例如镍同位素⁶³Ni)、来 自加热电极(其由于蒸发而具有有限的寿命)的电子的热电子发射、以及使用直流(DC)或交 流(AC)电晕放电现象而从尖锐点、边缘或细金属丝发射的电场发射来提供。然而，电晕放电 技术通常因来自离子轰击的腐蚀而遭受差的点火稳定性和有限的寿命。因此，描述了能够 在IMS系统中消除放射性源、减小或使老化效应最小化并改善稳定性的设备、系统和技术。 提供了一种电离设备，该电离设备包括彼此通过电介质隔离的两个或多个电极，所述两个 或多个电极通过时变电压进行偏置。当被注射到电离设备附近时，样本气体和反应气体被 电离。交替的高压激励被使用以经由介电势垒放电(dielectricbarrierdischarge)来产 生电离等离子体，该电离等离子体继而从反应气体和样本气体产生离子以用于通过对它们 漂移运动的测量来进行样本分析。该电离设备提供与多个被同时点火的等离子体生成位置 相对应的多个电极相互交叉(mutualelectrodecrossing)，这些电极相互交叉通过平行 电连接被提供能量。在一些实施方式中，由细金属丝线圈形式的第二电极将由涂玻璃形式 的介电质隔离的第一电极(即，涂覆玻璃的导线)与金属支撑杆缠绕在一起。在与涂覆玻璃 的第一电极的交叉处，第二电极的每个单独环产生两个适用于等离子体点火的聚集电场 点。这些电极能够由一系列的交替电压突发来提供能量并相对于门电极而被偏置，以便感 兴趣的离子向着门漂移。

一般性地参照图1至图3C，描述了离子迁移谱仪(IMS)设备100。在本公开的实施方 式中，IMS设备100被使用以从感兴趣的样本中电离气体和/或蒸汽。例如，等离子体通过电 极102与电极104之间的介电势垒放电来产生，并被用于对样本进行电离。如这里描述的，示 例性的IMS设备100包括具有电离设备108的电离室106。电离室106形成在电极110与离子门 112的门电极112A之间。以此方式，电极110与门电极112A限定了内部电场E1。IMS设备100还 包括漂移通道114，该漂移通道114包括堆叠电极116₁-116_N，其中，每个电极具有形成于其中 的缝隙。漂移通道114还包括格栅电极(gridelectrode)118、地电极120、所述门电极112A 和另一门电极112B。这些电极通过介电隔板112彼此分离。以此方式，漂移通道114被配置成 提供大体上均匀的内部电场E2，以用于对在集电电极124上收集的离子进行飞行时间分析。

在一些实施方式中，漂移通道114的直径在大约2毫米(2mm)至50毫米(50mm)之间， 长度在大约20毫米(20mm)至200毫米(200mm)之间。然而，这些范围仅以示例的方式来提供， 并且不意味着对本公开的限制。在其他实施方式中，漂移通道114可以具有不同的直径(例 如，小于2毫米(2mm)或大于50毫米(50mm))和/或不同的长度(例如，小于20毫米(20mm)或大 于200毫米(200mm))。

包括一组串联电阻器的分压器126遭受由电源(例如直流(DC)高压(HV)电源128) 提供的电压。在本公开的实施方式中，该分压器向门电极112B、堆叠电极116₁-116_N、格栅电 极118和集电电极124提供线性增加的电势，以向漂移通道114的内部电场E2提供均匀性，其 量级可以是几百伏特每厘米(V/cm)。在一些实施方式中，电源128的极性是可切换的(例如， 以便于分析带相反电荷的离子)。

与漂移通道114的内部电场E2相比，电离室106的内部电场E1由电极110与门电极 112A之间的电压差和距离来定义。例如，电极110和门电极112A连接到电源(例如DCHV电源 130)上。在一些实施方式中，电离室106的内部电场E1的量级位于大约20伏特每厘米(20V/ cm)和500伏特每厘米(500V/cm)之间。例如，内部电场E1的量级位于大约50伏特每厘米 (50V/cm)与300伏特每厘米(300V/cm)之间。进一步地，内部电场E1与内部电场E2具有相同 的方向，而且可以小于或大于内部电场E2以提供离子抽取。还需要指出的是，虽然电源128 和130被单独示出和描述，但是在一些实施方式中，提供了单个电源来替代电源128和130。

现在参考图2A和2B，电离设备108包括电极102和104，其中电极102和104通过介电 层102A彼此分离。在一些实施方式中，电离设备108经由管道146延伸到电离室106内。电离 设备108还包括导电的、半导电的或非导电的脊柱132(例如，支撑性金属杆或管)，用于向第 一电极102提供机械支撑。在一些实施方式中，第一电极102由涂覆有介电层102A(例如，几 十微米厚的薄玻璃层)的导电组件(例如，直径大约十分之一毫米(0.1mm)的薄钨丝)制成。 脊柱132邻近第一电极102延伸并且至少部分地沿着第一电极102延伸。在一些实施方式中， 由介电层102A隔离的第一电极102与脊柱132直接物理接触。例如，第一电极102通过第二电 极104机械连接到脊柱132上。在图2E所示的实施方式中，脊柱132位于螺旋电极104的外部， 并且螺旋电极104具有与脊柱132的外部并行接触。

脊柱132在各个接触位置处电接触第二电极104的多个导电段(例如，环)。在一些 实施方式中，第二电极104由直径为几十微米的薄导线形成，从而环绕(例如，缠绕)第一电 极102(和可能的脊柱132)。例如，第二电极104包括多个环，其中连续匝之间的间距位于至 少近似千分之二十五毫米(0.025mm)与50毫米(50mm)之间。在本公开的实施方式中，第二电 极104包括具有低化学反应性、低溅射率和/或低功函数的一个或多个金属和/或合金，例如 钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铑(Rh)、一碳化三镍(Ni₃C)等。

用于分析的被分析气体或蒸汽的电离以若干步骤进行。电离开始于向电离设备 108的电极102和104施加正弦、三角形、矩形或其他任意形式的短突发的可变电压，该短突 发的可变电压具有规则的或任意时间分辨重复性。在一些实施方式中，短电压突发的幅度 位于大约500伏特(500V)与10000伏特(10000V)之间(例如，位于大约1000伏特(1000V)与 5000伏特(5000V)之间)。另外，所施加的电压的交替频率能够低于大约10兆赫兹(10MHz) (例如，位于大约10千赫兹(10kHz)与5兆赫兹(5MHz)之间)。所施加的电压在靠近于电极102 和104的交叉处的区域中产生了强的可变电场。当该可变电场超过临界值，介电势垒放电被 点火，从而产生电晕。当随机存在的电子在连续的撞击之间被加速到大于环境气体和/或蒸 汽的原子和分子的电离能的能量时，电晕被产生。在放电期间，介电势垒被连续充电，从而 促使电场减弱，这继而导致电离过程的简易终止。在存在电晕时，分别由电子轰击或依附来 产生主正(+)离子和主负(-)离子。

被分析的气体和/或蒸汽通过入口134被引入到电离室106内的电离设备108附近， 该入口能够位于IMS设备100的端部。运载气体(例如，干空气)通过另一入口136被提供到漂 移通道114的离子检测端中。在一些实施方式中，为了增加来自被分析物的电离原子和/或 分子的产量，相对于主离子具有较高电子或质子亲和力的反应气体以与运载气体的混合的 形式被注射到电离室106内(例如，通过入口134和/或另一入口138)。在一些实施方式中，在 电离室106内还提供出口140。

来自由电子轰击、化学电离、依附过程等产生的离子云的离子向着电极110或门电 极112A相对于它们的极性而漂移。在本公开的实施方式中，将电离室106与漂移通道114分 离的离子门112包括两个位置接近的类格栅的、彼此通过薄电介质122A(例如，厚度的量级 为几十微米)隔离的门电极112A和112B。在“关闭”状态中，施加到门电极112A和112B的电压 在这两个电极之间产生了电场，该电场具有与漂移通道114的内部电场E2和电离室106的电 场E1这两者相反方向的径向分量。在一些实施方式中，取决于门电极112A与112B的几何尺 寸，门电极112A与112B之间的电压差的量级为几十伏特。

通过具有期望极性的脉冲，离子门112被“打开”短的时间(例如位于大约50微秒 (50μs)与300微秒(300μs)之间)。在一些实施方式中，该脉冲相对于等离子体触发而被延 迟，以允许期望数量的被分析离子到达电离室106的接近于离子门112的区域。等离子体触 发能够由例如HV脉冲发生器142来提供。在一些实施方式中，取决于电离室106的尺寸、所产 生的离子的反应速率、电场E1和离子迁移率，该脉冲延迟位于大约零毫秒(0ms)与10毫秒 (10ms)之间(例如位于大约二分之一毫秒(0.5ms)与3毫秒(3ms)之间)。通过分析从离子门 112打开的时刻开始至离子到达集电电极124的时间为止离子的飞行时间来识别离子。例 如，检测器144被用来基于一个或多个离子的各自飞行时间来识别这些离子。

现在参考图2C，在一些实施方式中，脊柱132包括具有被施加于其上的导电材料 132A的非导电支撑材料(例如，支撑杆或管)。例如，一条导电材料132A被布置在脊柱132的 非导电支撑材料与第一电极102之间。在其他实施方式中，脊柱132包括具有金属(例如部分 金属化)表面的非导电支撑材料。

参考图2D，在一些实施方式中，等离子体生成位置使用多个涂覆电介质的电极102 来提供。在一些实施方式中，脊柱132能够被电极102部分环绕。在该配置中，第二电极104环 绕多个第一电极102(以及可能的脊柱132)。

现在参考图3A至3C，电离设备108还能够使用具有平面电极的平面配置来形成。例 如，如图3A和3B所示，包括第一平面电极的导电组件被布置在基底148上且被介电层102A密 封。在该实施方式中，第二电极104包括第二分支平面电极，其与第一电极102具有多个交叉 处，其中局部增强的电场同时触发介电势垒放电。参照图3C，第二平面电极104限定了单个 缝隙150或缝隙150的阵列，在其中也同时产生了等离子体。注意，在这些实施方式中，平面 电离组件能够通过层叠、真空沉积技术等来产生。

虽然已经以针对结构特征和/或方法行为的语言对主题进行了描述，但可以理解 的是，所附权利要求书中所限定的主题并非必须局限于所描述的特定特征或行为。虽然讨 论了各种配置，但是装置、系统、子系统、部件等能够在不背离本公开的情况下以各种方式 构建。相反地，这些特定特征及行为被公开为实施权利要求书的示例形式。