基于脉冲电晕放电电离源的离子迁移谱仪设计与实现

李平

(1.中国科学院电子学研究所，传感技术国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

离子迁移谱(IMS)作为一种常压下的痕量物质检测手段，具有灵敏度高、响应速度快、线性范围广等优点，广泛应用于化学毒剂、爆炸物和VOCs的检测[1]。由于IMS具有现场快速检测的优点，近些年来，关于IMS用于食品、制药领域的质量控制和生产过程监控的研究日益增多[2]。电离源作为IMS的核心部件之一，一直受到人们关注。最早的IMS检测仪器使用放射性物质(如镍、氚和镅等)作为电离源。但是，放射性物质的使用需要审批和特殊管理，并且存在潜在的安全隐患。在研制出的各种替代放射性的电离源中，电晕放电(CD)电离源由于具有无放射性、离子电流大、设计安装简单等优点受到人们的青睐。CD电离源包括直流电晕放电电离源和脉冲电晕放电电离源。目前，对直流CD电离源的研究较多，并已经有应用实例。但是，直流CD电离源还存在以下不足：功耗相对较高、离子利用率低、会产生大量的NOX和O3等氧化性气体等。理论上，脉冲CD电离源不但能够大大降低功耗、延长针尖寿命、减少甚至消除氮氧化物的生成，同时能够去除离子栅门从而简化IMS结构，这对于IMS的小型化和实用化都大有意义。国内外相继开展了脉冲CD-IMS的研究[3-7]，但大多采用商品化脉冲发生装置以及氮气漂移气，增加了系统体积、功耗和成本；关于实际物质测试，尤其是负模式谱图特性及无离子门情况下样品检测效果的报导较少。

针对上述问题，本研究设计并实现了可用于脉冲CD-IMS的针-针结构电离源和脉冲发生电路，优化了电路参数，搭建了体积小、功耗低且不使用离子栅门的脉冲CD-IMS装置。实验结果表明，设计的脉冲CD-IMS装置信噪比高、稳定性好且有较高的分辨率。

1 仪器设计

1.1 电离源结构及高压脉冲发生电路

根据气体放电理论，气相分子的电离需要局部强电场。因此，目前基于电晕放电理论的电离源多采用不对称结构，如：针-板，针-网，针-环等。研究表明[6]，同等条件下针-网结构较针-板结构有更大的离子电流。由此可知，对称的针-针结构也可满足气体放电的需要，同时两电极的面积更小，有利于提高离子利用率，增大离子电流，进而简化信号的采集过程并能够提高检测的灵敏度。设计了基于针-针电极结构的电离源，具体结构如图1所示。两个不锈钢针电极间距约为3mm，外套陶瓷管确保电极间的绝缘。支架采用绝缘性较好的聚四氟乙烯材料制备。

图1 脉冲电晕放电电离源结构示意图

为了使电离源正常工作，需设计高压脉冲发生电路。目前，高压脉冲电源在静电除尘领域的应用研究较多。现有的获得高压脉冲的方式主要有两种：一种是通过脉冲变压器实现，另一种是通过高压开关直接获得。其中，第一种方式具有结构简单、体积小、功耗低等优点。因此，本研究采用第一种方式产生高压脉冲，设计的高压脉冲发生电路原理如图2所示。

图2 高压脉冲发生电路原理图

其中，开关J1是可控开关，控制信号由STM32单片机产生，R为保护电阻。首先，开关处于1位置，直流电源电压Vcc对电容充电。之后，开关拨至2位置，电容放电并与变压器的的初级线圈一起构成L-C震荡回路。由于电路中电抗的存在，初级线圈两端会出现幅值衰减的脉冲信号。经过变压器升压后，即可得到高压脉冲信号。该电路原理和结构简单，有利于IMS的小型化。

1.2 其它结构设计

最终设计的离子迁移谱装置结构如图3所示，主要包括电离源、漂移管和信号检测3个部分。电离源使用前述的针-针结构电离源和高压脉冲发生电路。漂移管为实验室自制，漂移区长度约为10cm，直径约为1.5cm，2500V直流高压经过电阻分压作为漂移电场。采用密闭循环气路形式，通过隔膜泵实现气体的循环流动，采用单向反吹以减少氮氧化物等活性分子的影响。为保证循环气清洁干燥，在气路中使用了13X分子筛对水气和杂质进行吸附。信号检测方面，法拉第盘上的小电流信号经过两级放大和简单电容去噪之后接入示波器(Tektronix TDS1002B-SC)进行观察。对甲基磷酸二甲酯(DMMP)和水杨酸甲酯进行检测时，在室温下用注射器抽取其液体样品饱和蒸汽，用洁净空气稀释后从进样口注入。不同于传统的直流CD-IMS，整个装置没有离子门和相关的控制电路，大幅简化了整体结构。

图3 脉冲CD-IMS装置结构示意图

2 实验结果与讨论

2.1 电路参数的选择

为保证电离源的可用性并降低功耗，需要对电路参数进行优化选择。

首先，在电源电压Vcc=17V，充电电容=30μF，保护电阻R=300Ω条件下，对电路进行测试，得到的典型高压脉冲波形如图4(a)所示。可以看出，输出脉冲的峰值电压可达2.6kV，2kV以上持续时间约为2μs，上升时间约为500ns～600ns，满足电晕放电需要。

图4 脉冲发生电路典型波形和特性曲线

脉冲电压幅值是能否发生电晕放电的决定性因素，而脉冲幅值由充电电容和电源电压Vcc决定。同时，和Vcc对电路功耗也起着决定性作用。实验中对充电电容和电源电压Vcc与脉冲输出幅值的关系进行了研究。得到结果如图4(b)所示。可以看出，电容固定时，随着Vcc的增大，脉冲幅值也逐渐增大，但两者无法维持线性关系。这是由于Vcc较大时，变压器上的损耗会迅速增大，并成为限制输出幅值的决定性因素。从输出幅值范围考虑，电容大于3μF时，在电源电压可调范围内，脉冲电压幅值均可达～2.6kV。从功耗考虑，小电容单次放电功耗更低，经测试和计算，当=3μF、Vcc=15V时，单次放电消耗能量约为340μJ，且较快的充放电速度也有利于提高IMS的响应速度。综上，脉冲发生电路充电电容选取3μF，电源电压Vcc根据实际需要调整。

优化后的脉冲CD-IMS装置参数如表1所示。

表1 脉冲CD-IMS装置参数

2.2 脉冲CD-IMS的空白谱图

通过测试得到了所设计的脉冲CD-IMS装置在洁净空气中正、负模式下的空白谱图，如图5所示。

图5 CD-IMS的空白谱图

图5(a)和(b)中第一个向下的尖峰是针-针电极放电时法拉第盘上的感应信号，对于脉冲CD-IMS，可以将此信号看作是离子漂移的开始时刻。后面较大的信号即为反应离子峰。由图5(a)可知，在正模式不掺杂情况下，反应离子峰强度为1.38V，漂移时间为17.80ms，半高宽为2.20ms，分辨率为8.09。使用四丁基溴化铵对反应离子峰进行了标定。四丁基溴化铵对应的漂移时间为27.80ms，约化迁移率为1.33cm2/(V·S)。据此计算出该反应离子的约化迁移率为2.08cm2/(V·S)，与文献[1]中约化迁移率2.10cm2/(V·S)相符。由图5(b)可知，在负离子模式下，反应离子峰出现了“削顶”的现象。这是由于负模式下产生的离子数量较大，经过放大后超出了放大器的范围。反应离子峰漂移时间为17.20ms，半高宽约为1.60ms，分辨率为10.75。谱图可看出3个峰，推测其分别为、和。不同于直流CD-IMS在负模式下的大量，脉冲放电产生的活性分子较少，因此空白谱中强度较小0。由于不使用离子门，离子利用率高，离子电流较大，即使不经过复杂的去噪处理也能够得到信噪比较大的信号。

为验证电离源工作的稳定性，对正模式下IMS反应离子峰的强度进行了长时间监测，每隔10min记录一次信号幅值，连续记录5小时，结果如图6所示。

图6 脉冲CD-IMS信号强度的稳定性

经过计算，信号均值为1.307V，最大偏差为3.6%，标准偏差为1.56%。可以看出，设计制备的电离源能够实现稳定放电并产生稳定的IMS反应离子电流。

2.3 脉冲CD-IMS的DMMP及水杨酸甲酯测试

在掺杂条件下，分别在正负模式下对DMMP和水杨酸甲酯进行测试，结果如图7所示。

图7 (a)DMMP及(b)水杨酸甲酯脉冲CD-IMS谱图

3 结论

设计并实现了基于脉冲电晕放电的针-针电极结构和高压脉冲发生电路，将其与自制的漂移管结合搭建了CD-IMS装置。实验证明，设计的基于脉冲放电电离源的离子迁移谱装置能够在不加离子门的情况下可实现正、负离子模式下的物质检测，对DMMP和水杨酸甲酯均表现出了较好的响应，并且结构简单、体积小、功耗低、稳定性好，有利于IMS仪器的进一步小型化。

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