Контакты >

Пути повышения разрешающей способности портативного IMS

Спектрометрия ионной подвижности (IMS — Ion-mobility spectrometry) является перспективным методом определения различных примесей в газовой среде. В качестве примеров применения можно перечислить: определение взрывчатых, наркотических веществ, ядовитых и вредных примесей воздуха, а так же определение наличия сложных соединений, таких как белки и их соединения. Сам метод подразумевает высокую разрешающую способность получения спектра, а так же высокое быстродействие. При этом существенной потребностью является свойство портативности прибора. А значит, помимо прочего, прибор должен иметь малые габариты, низкое энергопотребление и доступную цену для конечного пользователя. Но как на практике добиться желаемых качеств спектрометра? Для того, чтобы определить возможные варианты повышения разрешающей способности спектрометра ионной подвижности, вкратце рассмотрим основные принципы метода.

Работа метода основана на эффекте разной подвижности ионов различных веществ в электрическом поле. То есть под действием статического электрического поля ионам требуется различное время на перемещение с одной стороны дрейфовой камеры (трубки) спектрометра в противоположную. Измерение времени перемещения ионов лежит в основе времяпролетного спектрометра ионной подвижности (IMS). В зарубежной литературе также встречается название «TOFIMS», где аббревиатура TOF означает «time of flight», что в текущем контексте означат время пролета.

ims

Получение ионов происходит, когда анализируемый газ попадает в камеру ионизации. В качестве источника ионизации могут быть использованы радиоактивные изотопы, ультрафиолетовое излучение, коронный разряд, лазерное излучение, поверхностная ионизация, электроспрей в случае анализа жидкостей в газовой фазе и другое.

После ионизации на образовавшиеся свободные ионы анализируемого газа начинает действовать электрическое поле, приложенное к концам дрейфовой камеры, что заставляет ионы двигаться вдоль неё в сторону детектора ионов. Дрейфовая камера состоит из фокусирующих металлических колец, разделенных диэлектриком. К фокусирующим кольцам приложено напряжение, причем напряжение зависит от расположения кольца в дрейфовой трубке. Напряжение фокусирующих колец около ионизатора и детектора равно напряжению, прикладываемому к соответствующим концам камеры. Напряжение промежуточных колец плавно меняется от наибольшего по абсолютному значению в районе ионизатора к наименьшему в районе детектора. Плавное уменьшение электрического поля, создаваемого фокусирующими кольцами, позволяет направить ионы детектируемого газа точно по оси дрейфовой камеры в сторону детектора. Для улучшения характеристик спектрометра в камере создается поток разогретого нейтрального газа, обратный потоку ионов.

В общем случае скорость, с которой будет перемещаться ион, можно выразить через формулу:

υ = K×E,

где υ – скорость иона, E – напряженность приложенного электрического поля,
К – коэффициент подвижности иона.

Коэффициент подвижности зависит от ряда факторов, в том числе от параметров нейтрального газа; имеет прямую зависимость от заряда иона и обратную – от его массы. Напряженность электрического поля численно равна отношению приложенного к концам камеры напряжения к её длине.

Таким образом, чтобы увеличить разрешающую способность спектрометра, необходимо увеличить разность между скоростями перемещения ионов различных веществ. Изменение скорости дрейфа ионов возможно посредством изменения напряженности электрического поля дрейфовой камеры. Увеличение прикладываемого напряжения увеличивает разность между скоростями ионов различных веществ, но при этом сокращается общее время детектирования, что требует применение более скоростного детектора. Последнее отрицательно сказывается на конструкции, портативности и цене устройства. Уменьшение же напряжения снизит разрешающую способность спектрометра. Так же анализируемые примеси веществ различной природы могут потребовать разных значений напряженности электрического поля. Не менее важно и то, что ионы могут иметь как отрицательный, так и положительный заряд, а значит, требуется прикладывать напряжение соответствующего знака. Специалистами ИЦ «Бирюч» был рассчитан и спроектирован оптимальный размер дрейфовой камеры, а так же рассчитаны параметры и разработана программно-аппаратная реализация эффективного регулируемого источника высокого напряжения, значение которого лежит в пределах от -5 кВ до +5 кВ. Это позволит создавать напряженность электрического поля в дрейфовой камере до 80 В/мм. Так же изменение скорости дрейфа ионов возможно посредством изменения температуры и скорости потока нейтрального газа в дрейфовой камере. Регулировка достигается путем изменения режимов работы нагревателей и насосов нейтрального газа.

Одним из важнейших элементов, существенно влияющих на разрешающую способность спектрометра, является электронный затвор. Затвор предназначен для такого воздействия на поток ионов в дрейфовой камере, при котором достижения ионами детектора невозможно. Воздействие на поток осуществляется путем создания слабого электрического поля, поперечного электрическому полю дрейфовой камеры. Созданное поперечное поле отклоняет поток ионов, которые разрядятся либо на самом затворе, либо на стенках дрейфовой камеры, не долетая до детектора. Наиболее подходящим по конструкции является затвор Бредбери-Нильсена.

zatvor

Затвор представляет собой набор из параллельных электропроводящих нитей, расположенных в одной плоскости. На нити может подаваться потенциал, причем на соседние нити подается потенциал одинаковый по амплитуде, но разный по знаку. Когда потенциал подан, затвор закрыт и ионы не долетают до детектора; когда потенциал соседних нитей равен между собой, затвор открыт и не препятствует дрейфу ионов в сторону детектора. Важными параметрами затвора являются толщина нитей, шаг между нитями и прикладываемое напряжение. Уменьшение расстояния между нитями увеличивает напряженность запирающего поля при одном и том же потенциале, поданном на соседние нити. Это улучшает способность затвора к воздействию на поток ионов, но ухудшает чувствительность спектрометра, так как уменьшается площадь сечения пропускных окон затвора. Площадь сечения можно увеличить, уменьшая толщину нитей. Так же напряженность поперечного поля, создаваемого затвором, можно увеличить посредством прикладываемого напряжения, что усложнит конструкцию и надежность её работы. В целом схема управления затвором и сам затвор должны иметь достаточно высокое быстродействие. Сотрудниками ИЦ «Бирюч» разработаны и опробованы различные конструкции затвора с минимальным шагом. Ведутся работы по дальнейшей миниатюризации. При этом затвор в совокупности со схемой управления позволяет создать напряженность поперечного поля до 2000В/мм с высоким уровнем быстродействия.

Ионный детектор представляет из себя решетку фарадея с чувствительным помехозащищенным усилительным каскадом. После усиления сигнал оцифровывается высокоскоростным АЦП и обрабатывается в вычислительном блоке прибора c использованием алгоритмов оптимизации измерений, фильтрации помех и т.д.

Ярким примером применения алгоритмов оптимизации является использование преобразования Адамара. Применение данного метода существенно увеличивает чувствительность прибора, отношение сигнал/шум и, как следствие, благоприятно сказывается на быстродействии прибора. При обычном измерении времени пролета ионов затвор импульсно открывается на небольшую часть времени, после чего происходит измерение времени движения заряженных частиц. Рабочий цикл затвора (скважность) составляет 5-15%, а это означает, что до 95% потока заряженных частиц, несущих полезную информацию, не анализируется. Применение преобразования Адамара позволяет достичь скважности открытия затвора на 50%. Сущность метода заключается в определенной последовательности сигналов, подаваемых на затвор, причем частотой существенно выше, чем средняя частота получения единичного спектра при обычном измерении. Длительность подачи последовательности на затвор составляет столько периодов получения единичного спектра, во сколько раз выше частота работы затвора. На приведенной ниже иллюстрации показаны выходные спектры IMS. Синей линией изображен усредненный спектр при стандартном управлении затвором; зеленой линией изображен спектр сигнала, полученный при использовании преобразования Адамара для управляющего сигнала затвора. Красной линией изображен спектр, полученный обратным преобразованием Адамара из предыдущего спектра.

pokazaniy

Таким образом, в процессе отработки заданной последовательности пучки ионов разной подвижности, выпущенные в разное время, пересекаются и накладываются друг на друга. На выходе, на первый взгляд, создается шум. Но при применении обратного преобразования Адамара (с учетом известной последовательности, поданной на затвор) из данного шума выделяется правильный сигнал с высоким уровнем и отношением сигнал/шум. Причем качество сигнала выше, чем применение усреднения к последовательности единичных спектров, полученных за этот же период.

Применение в ЗАО ИЦ «Бирюч» высокотехнологичной электроники, современных инновационных технологий и способов производства; вышеописанных оптимизирующих программно-аппаратных методов, позволяет существенно улучшить разрешающую способность разрабатываемого прибора IMS.

Возврат к списку
Вакансии:
Инженер по СВЧ-технике. Инженер-электроник 1, 2 категории Другие вакансии