RU2398309C1

RU2398309C1 - Drift tube structure for ion mobility spectrometre

Info

Publication number: RU2398309C1
Application number: RU2009127303/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Беляков (RU); Владимир Васильевич Беляков; Вячеслав Сергеевич Першенков (RU); Вячеслав Сергеевич Першенков; Анатолий Владимирович Головин (RU); Анатолий Владимирович Головин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СМЭЛ"
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2010-08-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: ion mobility spectrometre has a bearing flat insulating substrate, a set of electrodes mounted on the substrate for generating an electric field, lying perpendicular to the substrate, a corona discharge based ion source, a collector and a sealed casing around the electrodes. One side of the sealed casing is a flat insulating substrate on which there are heating elements and temperature control sensors.

EFFECT: reduced vibration of the collector caused by the pumps which generate air currents, more stable operation of the device due to suppression of additional noise in the detected ion current.

10 cl, 7 dwg

Description

Устройство относится к конструкции спектрометров ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых и наркотических веществ.The device relates to the design of ion mobility spectrometers, which are widely used to control the content of various substances in the air and, in particular, to detect small concentrations of explosive and narcotic substances.

Спектрометрия ионной подвижности представляет собой метод обнаружения и идентификации сверхмалых концентраций паров различных химических соединений, основанный на разделении ионов по критерию подвижности в слабом электрическом поле в газовой среде. Возможность работы приборов на основе спектрометрии ионной подвижности при атмосферном давлении позволяет существенно упростить газовую систему и реализовать приборы в портативном исполнении, в отличие от традиционных анализаторов на основе газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Общепринятая схема прибора (фиг.1) включает камеру ионизации, в которую вводится проба, подвергающаяся ионизации; камеру дрейфа, в которой происходит разделение ионов по подвижностям во время движения в постоянном электрическом поле; коллектор и детектирующий узел, в котором измеряется ток ионов; систему обработки и хранения данных. В качестве источника ионизации может использоваться излучение радиоактивного вещества (Ni⁶³ на фиг.1), коронный разряд, излучение лазера, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение. Источник ионизации может работать в непрерывном или импульсном режиме.Ion mobility spectrometry is a method for detecting and identifying ultra-low vapor concentrations of various chemical compounds, based on the separation of ions by the criterion of mobility in a weak electric field in a gaseous medium. The possibility of operation of instruments based on ion mobility spectrometry at atmospheric pressure makes it possible to significantly simplify the gas system and implement portable instruments, unlike traditional analyzers based on gas chromatography and mass spectrometry. The generally accepted device diagram (FIG. 1) includes an ionization chamber into which a sample is subjected to ionization; a drift chamber in which the separation of ions by mobility occurs during movement in a constant electric field; a collector and a detecting unit in which the ion current is measured; data processing and storage system. As the ionization source, radiation of a radioactive substance (Ni ⁶³ in FIG. 1), corona discharge, laser radiation, ultraviolet or X-ray radiation can be used. The ionization source can operate in continuous or pulsed mode.

Принцип работы спектрометров ионной подвижности состоит в следующем. Молекулы исследуемого вещества поступают через входное отверстие в область ионизации, отделенную электростатическим затвором от области дрейфа. При подаче соответствующих электрических потенциалов на электростатический затвор он становится на короткое время прозрачным для ионов, в результате чего в область дрейфа с однородным электрическим полем вводится ионный сгусток. Для формирования однородного поля в дрейфовой области применяются проводящие электроды, с линейно изменяющимися по длине трубки потенциалами. Ион каждого вещества имеет свою характерную подвижность в слабом электрическом поле, что позволяет разделять ионы по времени пролета. Пролетев дрейфовую область, ионы попадают на коллектор, представляющий собой металлический электрод. Приближающийся к коллектору ионный сгусток наводит заряд на коллекторе, что приводит к расширению выходного импульса. Для устранения данного эффекта, оказывающего негативное влияние на работу прибора, перед коллектором детектора ионного тока установлена экранирующая сетка. Ионный ток на коллекторе преобразуется в сигнал напряжения с помощью усилителя пико-амперных импульсов и поступает на блок обработки данных. Временная структура ионного тока (спектр) характеризует наличие в пробе воздуха ионов, а соответственно и молекул, с данным временем пролета и подвижностью.The principle of operation of ion mobility spectrometers is as follows. The molecules of the test substance enter through the inlet into the ionization region, separated by an electrostatic shutter from the drift region. When the corresponding electric potentials are applied to the electrostatic shutter, it becomes transparent for ions for a short time, as a result of which an ion bunch is introduced into the drift region with a uniform electric field. Conducting electrodes with potentials linearly varying along the length of the tube are used to form a uniform field in the drift region. The ion of each substance has its own characteristic mobility in a weak electric field, which makes it possible to separate ions by time of flight. Having flown over the drift region, the ions fall on the collector, which is a metal electrode. An ion bunch approaching the collector induces a charge on the collector, which leads to an expansion of the output pulse. To eliminate this effect, which has a negative effect on the operation of the device, a screening grid is installed in front of the collector of the ion current detector. The ion current on the collector is converted into a voltage signal using an amplifier of pico-ampere pulses and fed to the data processing unit. The temporal structure of the ion current (spectrum) characterizes the presence in the air sample of ions, and, accordingly, molecules, with a given time of flight and mobility.

Известно устройство спектрометра ионной подвижности (патент на полезную модель №035034 "Спектрометр ионной подвижности"), представляющее собой набор расположенных вдоль одной оси проводящих электродов, электрически изолированных друг от друга. Проводящие электроды могут иметь различную форму и линейные размеры. С двух торцевых краев этой конструкции располагаются соответственно ионный источник для ионизации поступающих в прибор молекул анализируемых веществ и коллекторный электрод для регистрации ионного тока и последующей обработки. В совокупности с диэлектрическими прокладками между проводящими электродами данная конструкция образует герметичный замкнутый объем с расположенными в соответствующих местах входными и выходными отверстиями для продувки дрейфовым газом и забора паров исследуемых веществ. Таким образом, внутри прибора, и особенно в дрейфовой области, поддерживается постоянный состав газовой среды, обеспечивая стабильные условия детектирования веществ. Недостатками спектрометров ионной подвижности, использующих подобные дрейфовые трубки, являются относительно большой вес и линейные размеры, так как проводящие электроды изготавливаются из металла (чаще всего из алюминия или нержавеющей стали). Изготовление данных элементов на металлообрабатывающих станках увеличивает стоимость прибора. Также заметно усложняется сборка прибора, включающая в себя установку и точное позиционирование диэлектрических изолирующих и уплотняющих элементов между проводящими электродами.A device of the ion mobility spectrometer is known (patent for utility model No. 035034 "Ion mobility spectrometer"), which is a set of conductive electrodes located along the same axis that are electrically isolated from each other. Conductive electrodes can have various shapes and linear dimensions. From the two end edges of this design, there is respectively an ion source for ionizing the molecules of the analytes entering the device and a collector electrode for detecting the ion current and subsequent processing. In conjunction with dielectric spacers between the conductive electrodes, this design forms a sealed enclosed volume with inlet and outlet openings located in appropriate places for purging with drift gas and sampling the vapors of the test substances. Thus, inside the device, and especially in the drift region, a constant composition of the gaseous medium is maintained, providing stable conditions for the detection of substances. The disadvantages of ion mobility spectrometers using such drift tubes are their relatively large weight and linear dimensions, since the conductive electrodes are made of metal (most often aluminum or stainless steel). Production of these elements on metalworking machines increases the cost of the device. The assembly of the device, which includes the installation and precise positioning of the dielectric insulating and sealing elements between the conductive electrodes, is also noticeably complicated.

Цель создания предлагаемого устройства состояла в разработке конструкции спектрометра ионной подвижности, обладающего меньшим весом, габаритами с использованием при изготовлении стандартных и дешевых технологий.The purpose of creating the proposed device was to develop the design of the ion mobility spectrometer, which has a lower weight and dimensions, using standard and cheap technologies in the manufacture.

Известно устройство дрейфовой области спектрометра ионной подвижности (Bradshaw R.F.D., patent US no. 6051832, Apr. 2000), выбранное в качестве прототипа, сущность которого представлена на фиг.2. Дрейфовая область представляет собой совокупность электродов 12, 14, 16 и 18, находящихся под определенными потенциалами и расположенных на плоской диэлектрической основе 10, например печатной плате. Каждых электрод устанавливается перпендикулярно несущей печатной плате 10. Электроды 12 отвечают за формирование однородного поля дрейфа, электроды 14а и 14b образуют ионный затвор, а электроды 16а и 16b совместно формируют область ионизации. Электрод 18 представляет собой экранирующую сетку, снижающую наведенный заряд на коллекторе 20 при подлете сгустка ионов. Сферическая форма данного электрода придает ему упругость и снижает шумы тока коллектора, возникающие в результате механических вибраций. Сам коллектор 20, соединенный с усилителем сигнала, представляет собой печатную плату, припаиваемую к несущей печатной плате 10. Электроды 12, 14, 16 и 18 изготавливаются из тонкого листового металла, например латуни, методом химического травления. На торцах этих электродов, обращенных к несущей плате, изготавливаются штыри 22. В несущей печатной плате 10 в местах размещения электродов изготавливаются сквозные отверстия с металлизацией. Штыри 22, изготовленные на торцах электродов, входят в сквозные отверстия на несущей печатной плате и закрепляются пайкой. Данная технология крепления обеспечивает надежный электрический контакт между электродом и переходным отверстием, герметичность данного соединения и высокую точность размещения электродов.A device for the drift region of the ion mobility spectrometer (Bradshaw R.F.D., patent US no. 6051832, Apr. 2000), selected as a prototype, the essence of which is shown in Fig.2. The drift region is a set of electrodes 12, 14, 16 and 18 located at certain potentials and located on a flat dielectric base 10, for example, a printed circuit board. Each electrode is mounted perpendicular to the carrier circuit board 10. The electrodes 12 are responsible for the formation of a uniform drift field, the electrodes 14a and 14b form an ion gate, and the electrodes 16a and 16b together form an ionization region. The electrode 18 is a shielding grid that reduces the induced charge on the collector 20 when approaching a bunch of ions. The spherical shape of this electrode gives it elasticity and reduces the collector current noise arising from mechanical vibrations. The collector 20 itself, connected to the signal amplifier, is a printed circuit board soldered to the carrier printed circuit board 10. The electrodes 12, 14, 16 and 18 are made of thin sheet metal, for example brass, by chemical etching. Pins 22 are made at the ends of these electrodes facing the carrier board. Through holes with metallization are made in the carrier printed circuit board 10 at the locations of the electrodes. The pins 22, made at the ends of the electrodes, enter through holes on the carrier PCB and are fixed by soldering. This mounting technology provides reliable electrical contact between the electrode and the vias, the tightness of this connection and the high accuracy of electrode placement.

Несущая печатная плата 10 может быть выполнена с двухсторонней металлизацией, при этом появляется возможность расположить на обратной стороне компоненты электроники управления прибором. В качестве таких электронных компонентов авторы предлагают использовать элементы делителя напряжения, формирующего соответствующие высоковольтные потенциалы на электродах 12, 14, 16 и 18. Передача электрического сигнала от элемента делителя напряжения на одной стороне несущей печатной платы 10 к соответствующему электроду на другой стороне происходит через металлизированные переходные отверстия, которые, как уже описывалось выше, также используются для монтажа электродов. Данное конструктивное решение приводит к миниатюризации спектрометрической ячейки и повышению технологичности ее производства.The carrier printed circuit board 10 can be made with double-sided metallization, and it becomes possible to place the electronics for controlling the device on the back side. As such electronic components, the authors propose using elements of a voltage divider that forms the corresponding high-voltage potentials on the electrodes 12, 14, 16, and 18. The electric signal is transmitted from the element of the voltage divider on one side of the carrier printed circuit board 10 to the corresponding electrode on the other side through metallized transition holes, which, as already described above, are also used for mounting electrodes. This design solution leads to the miniaturization of the spectrometer cell and increase the manufacturability of its production.

Формирование замкнутого объема дрейфовой и ионизационной областей вокруг электродов обеспечивается за счет установки герметичной оболочки 24 на несущей печатной плате 10 (фиг.2, 3). Данная оболочка представляет собой металлическую конструкцию, выполненную, как и электроды 12, 14, 16 и 18, из листового металла, например латуни, методом химического травления. На краях оболочки 24 изготовлены штыри для припайки к несущей печатной плате 10 через сквозные металлизированные отверстия и точного позиционирования. Герметичность соединения оболочки 24 и несущей печатной платы 10 обеспечивается припаиванием шва по всей длине к соответствующему участку металлизации на несущей печатной плате 10. Также возможно использование прокладки из изолирующего материала для обеспечения герметичности.The formation of a closed volume of drift and ionization regions around the electrodes is ensured by installing an airtight shell 24 on the supporting printed circuit board 10 (Fig.2, 3). This shell is a metal structure made, like the electrodes 12, 14, 16 and 18, of sheet metal, for example brass, by chemical etching. At the edges of the sheath 24, pins are made for soldering to the supporting printed circuit board 10 through through metallized holes and precise positioning. The tightness of the connection of the shell 24 and the supporting printed circuit board 10 is ensured by soldering the seam along the entire length to the corresponding metallization area on the supporting printed circuit board 10. It is also possible to use gaskets made of insulating material to ensure tightness.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности нагрева внутреннего объема дрейфовой области и камеры ионизации. Все промышленно изготовляемые спектрометры ионной подвижности используют подогрев внутренних областей. Повышение температуры необходимо для повышения эффективности работы спектрометра в силу нескольких причин.The disadvantage of the prototype is the inability to heat the internal volume of the drift region and the ionization chamber. All industrially manufactured ion mobility spectrometers use internal area heating. An increase in temperature is necessary to increase the efficiency of the spectrometer for several reasons.

Прежде всего, это связано с влиянием температуры на ионно-обменные процессы. Ионизация ионов исследуемых веществ происходит в несколько этапов. Вначале образуются положительно и отрицательно заряженные реактант-ионы, концентрация которых существенно превышает концентрацию исследуемых веществ при ионизации молекул окружающего воздуха. Затем реактант-ионы передают свой заряд молекулам исследуемого вещества по механизму химической ионизации при атмосферном давлении. При повышении температуры реактант-ионы содержат меньшее количество молекул воды и соответственно имеют меньшую массу. При этом подвижность реактант-ионов увеличивается, что приводит к увеличению скорости протекания химической ионизации. Повышенные температуры в области ионизации значительно ускоряют ионно-обменные реакции и скорость передачи заряда от реактант-ионов молекулам исследуемых веществ, существенно увеличивая чувствительность и разрешающую способность спектрометров ионной подвижности.First of all, this is due to the effect of temperature on ion-exchange processes. Ionization of the ions of the studied substances occurs in several stages. Initially, positive and negatively charged reactant ions are formed, the concentration of which significantly exceeds the concentration of the studied substances during ionization of the molecules of the surrounding air. Then the reactant ions transfer their charge to the molecules of the substance under study by the mechanism of chemical ionization at atmospheric pressure. With increasing temperature, the reactant ions contain a smaller number of water molecules and, accordingly, have a lower mass. The mobility of the reactant ions increases, which leads to an increase in the rate of chemical ionization. Elevated temperatures in the ionization region significantly accelerate ion-exchange reactions and the rate of charge transfer from reactant ions to the molecules of the studied substances, significantly increasing the sensitivity and resolution of ion mobility spectrometers.

Вторая причина применения нагрева заключается в необходимости постоянной термической очистки прибора. Спектрометры ионной подвижности могут применяться в условиях сильной загрязненности исследуемого воздуха. Кроме того, поскольку при обследовании объекта заранее не известна концентрация детектируемых веществ, существует опасность забора слишком большого количества этого вещества и его адсорбции на внутренних поверхностях прибора. В результате прибор в течение долгого времени может выдавать сигнал о наличии детектируемого вещества, по мере удаления адсорбированных молекул с внутренних поверхностей. Повышение температуры дрейфовой и ионизационной камер значительно уменьшает время десорбции и позволяет быстро восстановить работоспособность прибора.The second reason for using heating is the need for constant thermal cleaning of the device. Ion mobility spectrometers can be used in conditions of severe contamination of the studied air. In addition, since the concentration of the detected substances is not known in advance when examining the object, there is a danger of collecting too much of this substance and its adsorption on the internal surfaces of the device. As a result, the device for a long time can give a signal about the presence of a detectable substance, as adsorbed molecules are removed from internal surfaces. An increase in the temperature of the drift and ionization chambers significantly reduces the desorption time and makes it possible to quickly restore the operability of the device.

Для эффективного детектирования веществ температура дрейфовой и ионизационных областей должна поддерживаться с высокой степенью точности. Значение температуры используется в вычислениях приведенной подвижности. Лабораторные исследования показали, что для работы спектрометра ионной подвижности необходимо обеспечить нагрев внутренних поверхностей прибора, соприкасающихся с газовым потоком при заборе пробы и с дрейфовым газом до температуры не ниже 100°С.For effective detection of substances, the temperature of the drift and ionization regions must be maintained with a high degree of accuracy. The temperature value is used in calculating the reduced mobility. Laboratory studies have shown that for the operation of the ion mobility spectrometer, it is necessary to ensure that the internal surfaces of the device are in contact with the gas flow during sampling and with drift gas to a temperature of at least 100 ° C.

Еще одним недостатком конструкции спектрометра ионной подвижности, описанного в патенте Bradshaw, является повышенная чувствительность к механическим вибрациям. Хотя авторы данного патента и указывают как метод борьбы с вибрациями использование сферического электрода 18 для придания ему упругости, проблема крепления самого коллектора 20 не решена до конца. Для работы спектрометров ионной подвижности необходимо использовать как минимум два насоса, создающих воздушные потоки. Первый насос создает поток, проходящий через контейнер с осушителем и поступающий затем в дрейфовую область (в дрейфовой области данный поток направлен против движения ионов). Второй насос устанавливается в районе ионного источника и создает поток, засасывающий пары исследуемого вещества и транспортирующий их в область ионизации. Кроме того, в промышленных приборах, имеющих области повышенных температур, отдельные элементы требуют охлаждения, осуществляемого с помощью вентиляторов. Работа вентиляторов и насосов создает постоянную вибрацию, передаваемую на элементы конструкции прибора, в том числе на коллектор. В результате наблюдается дополнительный шум в регистрируемом ионном токе и, как следствие, появление ложных срабатываний. Поэтому надежное и прочное крепление коллектора к остальной конструкции является чрезвычайно важным для обеспечения работы прибора.Another drawback of the design of the ion mobility spectrometer described in the Bradshaw patent is its increased sensitivity to mechanical vibrations. Although the authors of this patent also indicate the use of a spherical electrode 18 as a method of combating vibration to give it elasticity, the problem of fixing the collector 20 itself has not been completely solved. For the operation of ion mobility spectrometers, it is necessary to use at least two pumps that create air currents. The first pump creates a stream passing through a container with a desiccant and then entering the drift region (in the drift region this stream is directed against the movement of ions). The second pump is installed in the region of the ion source and creates a flow that sucks the vapors of the analyte and transports them to the ionization region. In addition, in industrial devices having areas of elevated temperatures, individual elements require cooling by fans. The operation of fans and pumps creates a constant vibration transmitted to the structural elements of the device, including the collector. As a result, additional noise is observed in the detected ion current and, as a consequence, the appearance of false positives. Therefore, reliable and solid mounting of the collector to the rest of the structure is extremely important to ensure the operation of the device.

Поставлена задача разработки системы нагрева дрейфовой и ионизационных областей спектрометра ионной подвижности при использовании конструкции с несущей печатной платой и впаянными в нее электродами и разработки прочного крепления коллектора к несущей печатной плате. Сущность предлагаемого устройства спектрометра ионной подвижности поясняется на фиг.4.The task is to develop a heating system for the drift and ionization regions of the ion mobility spectrometer when using a design with a supporting printed circuit board and electrodes soldered into it and developing a solid collector to the supporting printed circuit board. The essence of the proposed device of the ion mobility spectrometer is illustrated in figure 4.

Предлагаемый спектрометр ионной подвижности содержит несущую печатную плату 1 с закрепленными на ней электродами 2, которые формируют камеру дрейфа. С одного торца несущей печатной платы 1 закреплены электрод 3, включающий в себя импульсный источник ионизации на основе коронного разряда и формирующий область ионизации, и электроды 4 и 5, образующие электростатический затвор между областями ионизации и дрейфа. Импульсный источник коронного разряда представляет собой набор из нескольких пар заостренных иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава. Расстояние между остриями игл порядка 1 мм, радиус закругления около 25 мкм. Коронный разряд инициируется подачей между электродами переменного напряжения с частотой 150 кГц, амплитудой 3000 В и продолжительностью 0,4 мс от источника импульсного переменного напряжения.The proposed ion mobility spectrometer contains a carrier circuit board 1 with electrodes 2 mounted on it, which form a drift chamber. An electrode 3 is fixed from one end of the carrier circuit board 1, which includes a corona discharge pulsed ionization source and forms an ionization region, and electrodes 4 and 5, which form an electrostatic shutter between the ionization and drift regions. A pulsed corona discharge source is a set of several pairs of pointed needle-shaped electrodes made of stainless steel or a palladium-iridium alloy. The distance between the tips of the needles is about 1 mm, the radius of curvature is about 25 microns. A corona discharge is initiated by applying alternating voltage between the electrodes with a frequency of 150 kHz, an amplitude of 3000 V, and a duration of 0.4 ms from a pulsed alternating voltage source.

С другого торца несущей печатной платы 1 закреплена коллекторная диэлектрическая печатная плата 8, имеющая прочное соединение с несущей печатной платой 1. Коллектор 7 может представлять собой участок металлизации на данной плате или быть отдельным элементом из проводящего материала, например металла, припаиваемого к коллекторной печатной плате 8. Это обеспечивает жесткость крепления коллектора по отношению к другим элементам конструкции спектрометра. Электрод 6, выполняющий функцию апертурной сетки и экранирующий коллектор при подлете сгустка ионов и тем самым снижающий наведенный сигнал, также припаивается к коллекторной печатной плате. Все описанные выше электроды изготавливаются из тонкого листового материала методом лазерной резки или химического травления. Электроды 4, 5 и 6, представляют собой вырезанные лазером сетки из листового металла с прямоугольными или круглыми ячейками. Для обеспечения прохождения максимального количества ионов через данные элементы толщина листового материала для их изготовления должна составлять не более 0.2 мм. Электроды 2 и 3 также изготавливаются из тонкого листового материала методом лазерной резки, при этом особых требований к их толщине не предъявляется. В данной конструкции толщина этих элементов составляет 0,4 мм.A collector dielectric printed circuit board 8 is fixed at the other end of the carrier printed circuit board 1, which is firmly connected to the carrier printed circuit board 1. The collector 7 may be a metallized area on this board or be a separate element of a conductive material, for example, metal soldered to the collector printed circuit board 8 This ensures the rigidity of the collector mounting with respect to other structural elements of the spectrometer. The electrode 6, which performs the function of an aperture grid and a shielding collector when approaching an ion bunch and thereby reducing the induced signal, is also soldered to the collector printed circuit board. All the electrodes described above are made of thin sheet material by laser cutting or chemical etching. The electrodes 4, 5 and 6 are laser-cut sheet metal meshes with rectangular or round cells. To ensure the passage of the maximum amount of ions through these elements, the thickness of the sheet material for their manufacture should be no more than 0.2 mm. The electrodes 2 and 3 are also made of thin sheet material by laser cutting, while there are no special requirements for their thickness. In this design, the thickness of these elements is 0.4 mm.

Для крепления электродов к несущей печатной плате 1 используются штыри 10, изготовленные на торцах электродов. В соответствующих местах в несущей печатной плате 10 изготовляются сквозные отверстия с металлизацией. Технология крепления заключается в том, что штыри 10 входят в сквозные отверстия на несущей печатной плате 1 и закрепляются пайкой. Данная технология крепления обеспечивает надежный электрический контакт между электродом и переходным отверстием, герметичность данного соединения и высокую точность взаимного позиционирования электродов и элементов конструкции.To attach the electrodes to the supporting printed circuit board 1, pins 10 are used, made at the ends of the electrodes. Through holes in the carrier PCB 10 are made through holes with metallization. The mounting technology consists in the fact that the pins 10 enter through holes on the carrier PCB 1 and are fixed by soldering. This fastening technology provides reliable electrical contact between the electrode and the vias, the tightness of this connection and the high accuracy of the mutual positioning of the electrodes and structural elements.

В качестве несущей печатной платы 1 используется печатная плата с двухсторонней металлизацией, при этом на обратной стороне платы размещаются элементы делителя напряжения, формирующего соответствующие высоковольтные потенциалы на электродах 2, 3, 4, 5 и 6. Передача электрического сигнала от элемента делителя напряжения от одной стороны несущей печатной платы 1 к соответствующему электроду на другой стороне происходит через металлизированные переходные отверстия, которые также используют для монтажа электродов.A double-sided metallized printed circuit board is used as the supporting printed circuit board 1, while on the back side of the board there are elements of a voltage divider forming the corresponding high-voltage potentials on electrodes 2, 3, 4, 5, and 6. Transmission of an electrical signal from the voltage divider element from one side the carrier circuit board 1 to the corresponding electrode on the other side occurs through metallized vias, which are also used for mounting electrodes.

Формирование замкнутого объема вокруг электродов обеспечивается установкой герметичной оболочки 9 на несущей печатной плате 1 с заполнением припоем переходных отверстий. Схема расположения и установки герметичной оболочки 9 показана на фиг.4. Данная оболочка представляет собой металлическую конструкцию, выполненную, как и электроды 2, 3, 4, 5 и 6, из листового металла, в данном случае латуни, методом лазерной резки или химического травления. На краях оболочки 9 изготовлены штыри 10 (фиг.4) для крепления к несущей печатной плате 1 через сквозные металлизированные отверстия и осуществления точного позиционирования. Герметичность соединения оболочки 9 и несущей печатной платы 1 обеспечивается пайкой шва по всей длине к соответствующему участку металлизации 14 на несущей печатной плате 1. Также возможно использование прокладки из изолирующего материала для обеспечения герметичности. Через отверстия с патрубками 15 и 16 в герметичной оболочке 9 районе электрода 3 с источником ионизации на основе коронного разряда осуществляется забор паров исследуемого вещества в область ионизации и последующий отвод данного воздушного потока за пределы герметичной оболочки 9. Также через отверстия с патрубками 17 и 18 рядом с коллектором 7 и с электродом 5 соответственно проходит встречный по отношению к движению ионов воздушный поток очищенного воздуха. Этот поток формируется в замкнутой системе циркуляции воздуха, включающей воздушный насос и адсорбционную ловушку, заполненную молекулярными ситами (не показаны).The formation of a closed volume around the electrodes is ensured by installing a sealed shell 9 on the supporting printed circuit board 1 with filling the solder vias. The layout and installation of the sealed enclosure 9 is shown in Fig.4. This shell is a metal structure made, like the electrodes 2, 3, 4, 5 and 6, of sheet metal, in this case brass, by laser cutting or chemical etching. At the edges of the casing 9, pins 10 are made (Fig. 4) for fastening to the supporting printed circuit board 1 through metallized through holes and for precise positioning. The tightness of the connection of the shell 9 and the carrier circuit board 1 is ensured by soldering the seam along the entire length to the corresponding metallization section 14 on the carrier circuit board 1. It is also possible to use gaskets made of insulating material to ensure tightness. Through the openings with nozzles 15 and 16 in the sealed enclosure 9, the region of the electrode 3 with the corona-based ionization source, the vapors of the analyte are sampled into the ionization region and then this air stream is removed outside the hermetic enclosure 9. Also through the openings with nozzles 17 and 18 are adjacent with a collector 7 and with an electrode 5, respectively, an air stream of purified air that is counter to the movement of ions passes. This stream is formed in a closed system of air circulation, including an air pump and an adsorption trap filled with molecular sieves (not shown).

Подогрев областей ионизации и дрейфа осуществляется нагревательными элементами 11 и 12 (фиг.4, 5, 6). Нагревательный элемент 11 представляет собой двухслойную печатную плату, изготовленную по стандартному технологическому процессу, с разводкой под установку нагревающих элементов (резисторы с поверхностным монтажом, фиг.7) и датчиков контроля температуры на одной из ее сторон. Другая поверхность имеет сплошную металлизацию поверхности для обеспечения равномерного распределения тепловой энергии по поверхности и экранирования внутренней структуры от внешних электростатических наводок на коллектор 7. Нагревательный элемент 11 также выполняет функцию одной из стенок герметичной оболочки 9. Такое конструктивное решение приводит к миниатюризации спектрометрической ячейки и повышению технологичности ее производства. Нагревательный элемент 12, имеющий конструкцию аналогичную нагревательному элементу 11, устанавливается под несущую печатную плату 1. Для передачи тепловой энергии от нагревательного элемента 12 к несущей печатной плате 1 используются специальная диэлектрическая пластина 13, выполненная из теплопроводящего материала. В качестве такого материала может выступать теплопроводящая прокладка из листового материала, теплопроводящая паста или теплопроводящий полимеризующийся компаунд. В итоге обеспечивается быстрый прогрев несущей печатной платы 1 и электродов 2, 3, 4, 5 и 6 через места пайки в районе штырей 10. Использование нагревательных элементов 11 и 12 с низким сопротивлением теплопередаче по отношению к элементам конструкции дрейфовой и ионизационной областей и малой теплоемкостью обеспечивает высокую динамику выхода спектрометра ионной подвижности на заданный температурный режим.The heating of the ionization and drift regions is carried out by the heating elements 11 and 12 (Figs. 4, 5, 6). The heating element 11 is a two-layer printed circuit board manufactured according to the standard technological process, with the wiring for the installation of heating elements (surface-mounted resistors, Fig. 7) and temperature control sensors on one of its sides. The other surface has a continuous metallization of the surface to ensure uniform distribution of thermal energy over the surface and to shield the internal structure from external electrostatic interference to the collector 7. The heating element 11 also performs the function of one of the walls of the hermetic shell 9. Such a structural solution leads to miniaturization of the spectrometric cell and an increase in manufacturability its production. The heating element 12, having a design similar to the heating element 11, is installed under the supporting printed circuit board 1. To transfer thermal energy from the heating element 12 to the supporting printed circuit board 1, a special dielectric plate 13 made of heat-conducting material is used. Such a material may be a heat-conducting gasket of sheet material, a heat-conducting paste or a heat-conducting polymerizable compound. The result is a quick heating of the carrier PCB 1 and the electrodes 2, 3, 4, 5 and 6 through the soldering points in the region of the pins 10. The use of heating elements 11 and 12 with low heat transfer resistance with respect to the structural elements of the drift and ionization regions and low heat capacity provides high dynamics of the ion mobility spectrometer reaching a given temperature mode.

Все используемые в предлагаемом устройстве печатные платы могут быть изготовлены на основе стеклоэпоксидного ламината, полученного методом горячего прессования стеклотканей, пропитанных термореактивным связующим на основе совмещенных эпоксидной и фенолформальдегидной смол, или керамики. Материалы на основе стеклоэпоксидного ламината, например FR-4, являются наиболее распространенными материалами для производства двухсторонних и многослойных печатных плат. Термостойкость данного материала позволяет ему работать в приборе при рабочей температуре 100°С, но не позволяет произвести термическую очистку при более высоких температурах. Продолжительная очистка при температурах выше 200°С позволяет добиться высокой степени очистки внутренних поверхностей от загрязнения, что может быть реализовано при использовании печатных плат на основе керамики.All printed circuit boards used in the proposed device can be made on the basis of a glass-epoxy laminate obtained by hot pressing of glass fabrics impregnated with a thermosetting binder based on combined epoxy and phenol-formaldehyde resins, or ceramics. Glass epoxy laminate materials, such as FR-4, are the most common materials for the production of double-sided and multi-layer printed circuit boards. The heat resistance of this material allows it to work in the device at a working temperature of 100 ° C, but does not allow thermal cleaning at higher temperatures. Long-term cleaning at temperatures above 200 ° C allows to achieve a high degree of purification of internal surfaces from contamination, which can be realized using printed circuit boards based on ceramics.

Крепление коллекторной платы 8 с размещенными на ней коллектором 7 и электродом 6 к несущей печатной плате 1 осуществляется пайкой шва между данными элементами. Кроме того, пайкой шва происходит крепление коллекторной платы 8 к нагревательному элементу 12 и оболочке 9. Таким образом, коллекторная печатная плата 8, а следовательно и коллектор 7, оказываются прочно связанными с остальной конструкцией спектрометра. Данное конструктивное решение позволяется значительно снизить вибрационные колебания коллектора, вызванные работой насосов, создающих воздушные потоки. В итоге значительно улучшается стабильность работы прибора вследствие устранения дополнительного шума в регистрируемом ионном токе.The mounting of the collector board 8 with the collector 7 and the electrode 6 placed on it to the supporting printed circuit board 1 is carried out by soldering the seam between these elements. In addition, by soldering the seam, the collector board 8 is attached to the heating element 12 and the shell 9. Thus, the collector printed circuit board 8, and therefore the collector 7, are firmly connected with the rest of the spectrometer design. This design solution allows to significantly reduce the vibrational vibrations of the collector caused by the operation of pumps that create air currents. As a result, the stability of the device is significantly improved due to the elimination of additional noise in the recorded ion current.

Технология изготовления всех конструктивных элементов предлагаемого устройства соответствует стандартной технологии изготовления печатных плат. Для изготовления элементов источника ионизации на основе коронного разряда, сеток электродов и элементов герметичной оболочки используется стандартная технология лазерной резки. Таким образом, все элементы конструкции изготавливаются в рамках стандартных, а следовательно, дешевых, технологических процессов.The manufacturing technology of all structural elements of the proposed device corresponds to the standard manufacturing technology of printed circuit boards. For the manufacture of elements of an ionization source based on corona discharge, electrode grids and elements of a sealed sheath, standard laser cutting technology is used. Thus, all structural elements are manufactured as part of standard, and therefore, cheap, technological processes.

Claims

1. The ion mobility spectrometer containing a supporting flat dielectric substrate, a set of electrodes mounted on it to form an electric field perpendicular to the substrate, a corona discharge ionization source, a collector and a sealed sheath around the electrodes, characterized in that one of the sides of the sealed sheath is a flat dielectric substrate with heating elements and temperature control sensors placed on it.

2. The ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the flat dielectric substrate, which is one of the walls of the sealed enclosure, with heating elements and temperature control sensors placed on it, is a printed circuit board with several metallization layers based on glass-epoxy laminate or ceramic.

3. The ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the carrier flat dielectric substrate with the electrodes placed is a printed circuit board with several metallization layers based on a glass-epoxy laminate or ceramic.

4. The ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the carrier flat dielectric substrate is equipped with a flat heating element, while the transfer of thermal energy to the carrier dielectric substrate is provided using a heat-conducting dielectric strip of sheet material.

5. The ion mobility spectrometer according to claim 4, characterized in that the transfer of thermal energy from the flat heating element to the carrier dielectric substrate is provided using a heat-conducting paste or glue.

6. The ion mobility spectrometer according to claim 4, characterized in that the transfer of thermal energy from the flat heating element to the carrier dielectric substrate is provided using a heat-conducting polymerizable compound.

7. The ion mobility spectrometer according to claim 4, characterized in that the flat heating element is a printed circuit board with several metallization layers based on a glass-epoxy laminate or ceramic.

8. The ion mobility spectrometer according to claim 1, characterized in that the collector is mounted on a flat dielectric substrate, which is part of a sealed sheath and soldered to the rest of the sealed sheath and to a carrier flat dielectric substrate.

9. The ion mobility spectrometer according to claim 8, characterized in that the collector is a metallization site on a flat dielectric substrate, which is part of a sealed sheath and soldered to the rest of the sealed sheath and to a carrier flat dielectric substrate.

10. The ion mobility spectrometer according to claim 8, characterized in that the flat dielectric substrate on which the collector is mounted is a printed circuit board with several metallization layers based on glass-epoxy laminate or ceramic.