[发明专利]一种离子门控制电路及控制方法

说明书

本发明涉及一种离子门控制电路及控制方法。本发明采用一个高压电源同时给漂移管分压电路和门控分压电路供电，由门控分压电路提供TP型离子门所需的脉冲电压；门控分压电路包括一系列分压电阻和至少一个MOS管开关，MOS管的源极（S极）接地，并和门控分压电路接地端的至少一个分压电阻并联，通过控制MOS管的通断来调整门控分压电路的总阻值，从而调整TP型离子门栅网获得的分压，以控制离子门开关。通过本发明离子门控制电路和方法，不仅无需使用高压隔离元器件，还可以获得理想的离子门开关速度，既降低了使用成本，又有助于提高离子迁移谱的分辨率。

技术领域

本发明涉及离子迁移谱领域，具体地，涉及一种离子迁移谱的离子门控制电路和控制方法。

背景技术

离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometer, IMS)是指利用离子在大气中的迁移率来识别化学物质的设备。离子迁移谱由于其易携带、快速检测和高灵敏度等特点，被广泛应用于爆炸物和毒品、工业有毒气体和军事毒剂的检测，以及食品/化妆品内违禁药物的检测。

作为离子迁移谱的核心部件之一，离子门用来控制离子以脉冲的方式进入迁移区，从而得到不同飞行时间的图谱，即离子迁移谱。离子门通常有两种类型：Bradbury-Nielson型（简称为BN型）离子门和Tyndall-Powell型（简称TP型）离子门。BN型离子门由两组互相绝缘且交错排列于同一平面的平行电极构成。当两组电极间存在一定的电位差，则会产生垂直于漂移管的电场，阻断离子流的飞行线路，形成关门状态；当两组电极的电位相同，垂直电场消失，离子流可以通过电极间空隙，进入漂移管，形成开门状态。而TP型离子门（如图1所示），通常使用两片平行排列的栅网（靠近反应区的为G1，靠近漂移区的为G2），并在栅网G1和栅网G2之间施加正向或者反向的电场，从而正向推进或者反向阻止离子的飞行，形成开门和关门状态。

BN型离子门的电极多由拉直的细金属丝构成，不仅加工工艺复杂，而且由于极间距离小，一旦发生细金属变形或者断裂都可能造成短路。TP型离子门则可以采用金属蚀刻工艺批量制造；因此，TP型离子门的应用越来越多，尤其是在商业应用的离子迁移谱产品中。

由于离子门的高压特性，TP型离子门的控制方式主要有下面2种：

1） 采用隔离式电压模块提供门脉冲电压。将离子门栅网G1接入漂移管分压电路以获得稳定的分压，而栅网G2则由至少一个隔离式电源模块提供或高于或低于栅网G1分压的电压，栅网G2的门电压脉冲则由一组MOS管和隔离式门驱动器控制。此方式需要多个隔离式元器件，在正/负高压可切换的离子迁移谱中甚至需要2组隔离式电源模块和隔离式门驱动器，大大增加了离子门控制电路的成本；

2）采用光隔离型开关改变离子门栅网G1和栅网G2的电位关系（如图2所示）。将漂移管分压电路的漂移区前端分成2路并联分压电路（R1-R3和R15-R17），将栅网G1接入分压电阻R2和分压电阻R3之间，栅网G2接入分压电阻R16和分压电阻R17之间，分压电阻R17与光MOS固态继电器SSR并联，由光MOS固态继电器SSR控制栅网G2分压绝对值VG1和栅网G1分压绝对值VG1的相对关系。当控制信号输出为0V时，光MOS固态继电器SSR断开，R17/(R15+R16+R17)＞R3/(R1+R2+R3)，VG2＞VG1，离子门关闭；当控制信号输出为5V时，光MOS固态继电器SSR闭合，分压电阻R17前后短接，栅网G2直接接入分压电阻R3后端，VG1＞VG2，离子门开启。在此控制方式中，离子门控制电路是漂移管分压电路的一部分，光MOS固态继电器SSR在开关的过程中，漂移管各级电压会同步发生变化，将对法拉第板造成较大的冲击；光MOS固态继电器SSR的开关速度也不够理想，尤其是关闭时间可能长达数百微秒，离子门开关时间会大幅增加，造成离子迁移谱谱峰加宽，分辨率下降。

发明内容

本发明解决的问题是：1）克服采用多个隔离式元器件的高成本问题；2）克服采用光MOS固态继电器SSR导致谱峰加宽、分辨率下降的问题。