[科普中國]-漂移管

簡介

漂移管是IMS分析儀中最關(guān)鍵的部件，設(shè)計(jì)上的缺陷或材料選用的不當(dāng)均會(huì)造成靈敏度低、分辨率差和嚴(yán)重的記憶效應(yīng)。對(duì)于漂移管設(shè)計(jì)和制作的方法。有兩種得到認(rèn)可的基本設(shè)計(jì)是線性(直流)電場漂移管和不對(duì)稱(交流)場漂移管。許多其他的設(shè)計(jì)也都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，并且有些已經(jīng)商業(yè)化，如吸氣式(或氣路開放式)漂移管的設(shè)計(jì)。所有這些漂移管的共同特征是它們都有一個(gè)電離源和反應(yīng)區(qū)、一個(gè)漂移(或分離)區(qū)和一個(gè)檢測器。電離源和反應(yīng)區(qū)是離子生成的地方；漂移(或分離)區(qū)是按遷移率差異對(duì)離子進(jìn)行分離的區(qū)域；檢測器是一個(gè)接收離子和產(chǎn)生電流信號(hào)的金屬電極盤。在設(shè)計(jì)良好的漂移管中，全部的離子化學(xué)反應(yīng)都應(yīng)該在反應(yīng)區(qū)內(nèi)完成，這樣離子一旦形成，它們在漂移區(qū)內(nèi)達(dá)到檢測器之前就應(yīng)保持不變。在市售的IMS儀器中，通常是將漂移管與進(jìn)樣系統(tǒng)、控制器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成在一起的，如圖冊所示。而研究用的儀器通常都是模塊化的，可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行裝配。1

漂移管的結(jié)構(gòu)漂移管可用無氧銅制成，為使它有一定的機(jī)械強(qiáng)度，其壁厚選在6毫米左右。它也可用不銹鋼鍍銅制成，銅層厚在0.1毫米左右。漂移管包括其內(nèi)的四極透鏡，重量達(dá)幾十公斤。這就要求它的支承桿有足夠的強(qiáng)度。支承桿的材料可采用無氧銅、鈹銅或不銹鋼鍍銅等。后兩種材料的強(qiáng)度較好。四極透鏡內(nèi)的芯管，可采用厚度小于1毫米的蒙乃爾管或不銹鋼管。

漂移管的結(jié)構(gòu)如圖所示。它本身有一個(gè)管體及兩個(gè)端蓋組成。管體成圓柱形，它與透鏡之間有一層水套，通水冷卻管體和四極透鏡。端蓋的制造先經(jīng)鍛壓成型(在高溫550°C以上)，然后淬火消除應(yīng)力。經(jīng)粗車后用數(shù)控車床外圓弧(Rc)及內(nèi)圓弧(Rhc)為減少在管壁上的功率損耗及避免漂移管間的電擊穿，管的表面應(yīng)有較高的光潔度和清潔度。

漂移管支承桿由同心的三根管道組成，最里層的中心管道用于安放透鏡的引錢，引線可采用具有抗輻照性能的絕緣層的銅線。最外層的管道，為冷卻水進(jìn)水管道。冷卻水用來冷卻支承桿外壁，并流經(jīng)水套冷卻漂移管及透鏡。中間這一層管道是冷卻水的出水管道。這種結(jié)構(gòu)使支承桿的溫度沿它的周向均勻分布，可避免由于桿上的局部溫差引起桿的變形。

漂移管的焊接工藝分兩種，一種是真空釬焊，另一種是電子束焊。前者主要用于管體及支承桿的焊接，芯管與另一個(gè)端蓋的焊接，支承桿與波紋管的焊接等。這種焊接是在透鏡裝進(jìn)漂移管之前進(jìn)行的。真空爐內(nèi)最高溫度可在850°C左右，采用銀銅焊料。將透鏡裝進(jìn)管體后，漂移管各部件的焊接不能再用真空釬焊，否則透鏡的電氣絕緣性能將在持續(xù)高溫下被破壞，因此需采用速度很快的電子束焊。電子束焊用于漂移管的端蓋與管體的焊接，芯管與另一端蓋的焊接等。在CERN的新50兆電子伏直線加速器中采用的電子束焊參數(shù)有兩組。一組用于端蓋與管體的焊接，其參數(shù)是：電子束流強(qiáng)30毫安，束徑約0.5毫米，工作電壓150千伏，焊接速度每秒14毫米。這個(gè)焊接可分兩道工序完成，第一道是深焊，以保證焊接強(qiáng)度；第二道是表面修飾焊，使焊縫表面均勻和光滑。這一焊縫的光潔度對(duì)Q值影響較大。因?yàn)椤邦悺盩M010模式的高頻場在漂移管表面上感應(yīng)的高頻電流是垂直地反復(fù)通過焊縫的。另一組電子束焊參數(shù)用子芯管與另一端蓋的焊接，其值是。電子束流強(qiáng)5毫安，工作電壓130千伏，焊接速度每秒130毫米。因?yàn)樾竟苷幵谕哥R的中心區(qū)，所以它的焊接應(yīng)更快。電子束焊引起的局部溫升為30~50°C。由于焊接后有收縮量，因此端蓋及芯管的長度在加工時(shí)應(yīng)留有一定的余量。漂移管的焊接全部完成后，應(yīng)進(jìn)行整體檢漏，并檢驗(yàn)透鏡的電性能及磁性能是否完好。為使透鏡的磁中心在漂移管安裝時(shí)與基準(zhǔn)線相重，避免它的偏離引起柬流在徑向的相干偏離，可在測出磁中心后，以磁中心軸加工芯管的內(nèi)圓，然后將準(zhǔn)直靶置于芯管內(nèi)來定位漂移管的位置。2

傳統(tǒng)的線性電場漂移管線性電場漂移管是IMS最基本和最容易理解的漂移管。管內(nèi)的反應(yīng)區(qū)與漂移區(qū)是用一個(gè)離子?xùn)砰T隔開的，離子?xùn)砰T的作用是將反應(yīng)區(qū)生成的離子分批注入漂移區(qū)。每批進(jìn)入的離子或離子群都要從離子?xùn)砰T漂移到檢測器，這樣在恒定的電場作用下由于各種離子遷移率系數(shù)的不同，所以漂移同樣這么一段距離就會(huì)給出不同的漂移時(shí)間(或稱飛行時(shí)間)。這些基本特點(diǎn)對(duì)所有的線性電場漂移管都是相同的，但在電離方法、氣流方式、電場(梯度、分布和形式)的生成技術(shù)、離子?xùn)砰T的數(shù)量，工作溫度和離子的檢測方法方面，漂移管的設(shè)計(jì)都可能是不同的。

對(duì)分析所用漂移管的描述，最早出現(xiàn)在1970年的期刊報(bào)道Karasek、Cohen與Karasek所發(fā)表的文章中。將一系列金屬環(huán)在一定壓力下固定在一起，使環(huán)與環(huán)之間保留一定的縫隙并用直徑1mm的藍(lán)寶石充填，以使金屬環(huán)之問相互絕緣。將包括固定裝置的整個(gè)漂移管放入一個(gè)用金屬制作的真空密閉室中。這種漂移管的一張照片示于右圖。該漂移管是由一系列筒狀元件組合起來的，這些筒狀組件上被施加了不同的電壓，以便在沿漂移管的中心軸方向保持200V/cm～300V/cm的電場。相鄰的導(dǎo)電環(huán)之間由于填充藍(lán)寶石珠而相互絕緣，導(dǎo)電環(huán)之間(高達(dá)幾毫米)的縫隙比環(huán)的寬度大10倍。一個(gè)拋光的Niβ-放射電離源插在第一個(gè)金屬環(huán)內(nèi)。漂移管中有兩個(gè)Bradbury-Nielson型離子?xùn)砰T。在離子?xùn)砰T上兩組相距很近、平行排列的共平面的細(xì)(金屬)絲之間施加了一個(gè)電位差，由于兩組金屬絲之間是電絕緣的(同一組金屬絲之間是連通的一譯者注)，這樣在兩組金屬絲的相鄰金屬絲之間就產(chǎn)生了一個(gè)大約600V/cm的強(qiáng)電場。這個(gè)強(qiáng)電場與橫跨整個(gè)漂移管的離子遷移電場的(梯度軸)方向是垂直的，它可以使離子在金屬絲上熄滅從而阻止離子進(jìn)入漂移區(qū)。使離子?xùn)砰T上的兩組金屬絲處于同一電位水平上就是開通了離子?xùn)砰T允許離子通過。典型的情況是每20ms開離子?xùn)砰T約0.2ms。這樣，電離源中產(chǎn)生成的離子僅有1%能進(jìn)入漂移區(qū)。一個(gè)圓平的收集板(或稱法拉第盤)用來收集離子，檢測離子中和時(shí)產(chǎn)生的電流信號(hào)。在檢測器(法拉第盤)的前面附近放置有一個(gè)加了偏壓的多孔柵，用于降低由于離子群接近時(shí)在檢測器上產(chǎn)生的誘導(dǎo)電流。這樣，得到的離子遷移譜就可避免峰形的扭曲和其他假像。在早期的漂移管設(shè)計(jì)中，在漂移管中接近檢測器的一端還設(shè)置有第二個(gè)離子?xùn)砰T。在第一個(gè)離子?xùn)砰T關(guān)閉并延遲一定時(shí)間后第二個(gè)離子?xùn)砰T才打開。這樣，只有漂移時(shí)間等于這個(gè)延遲時(shí)間的離子能夠通過第二個(gè)離子?xùn)砰T，并在檢測器上產(chǎn)生電流信號(hào)。通過掃描延遲時(shí)間就可得到一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)延遲(或漂移)時(shí)間的離子遷移譜圖。早期設(shè)計(jì)的漂移管之一，其反應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)的長度分別是6cm和8cm。

載氣是從漂移管的前端進(jìn)人反應(yīng)區(qū)的，其流速的典型值一般為100mL/min～200mL/min。漂移氣是從漂移管檢測器一端進(jìn)入漂移區(qū)的，其流速為400mL/min～700mL/min。在設(shè)計(jì)原理上，兩股相向?qū)α鞯臍饬魇菑臇艠O門前面附近的一個(gè)出氣口被排出去的。早期研究中，使用的載氣和漂移氣是經(jīng)分子篩凈化的氮?dú)饣蚩諝?。載氣的作用是將樣品氣體帶進(jìn)電離源或反應(yīng)區(qū)，并在此進(jìn)行分子一離子反應(yīng)。如果進(jìn)入漂移區(qū)的離子仍繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，則得到的漂移時(shí)間將是從初始形成的離子到最后形成的產(chǎn)物離子之間的混合漂移時(shí)間，這將使測得的離子遷移譜圖很難被解析。為避免這種情況發(fā)生，要求漂移氣中不能含有任何能與漂移區(qū)中的離子進(jìn)行絡(luò)合或反應(yīng)的中性樣品分子。因此，要強(qiáng)調(diào)載氣和漂移氣都必須是純凈的氣體。放置漂移管的金屬室可以加熱到200°C以上，并可用旋轉(zhuǎn)泵將其抽成中度真空，這有利于提高漂移管的清潔程度和降低其記憶效應(yīng)。

早期的漂移管存在著一些基本設(shè)計(jì)上的問題。漂移管上，金屬漂移環(huán)之間的縫隙會(huì)使樣品分子漏到漂移管外面的金屬室中去，并漫布室內(nèi)整個(gè)空間。進(jìn)入金屬室的樣品分子很難從其中排出去，并會(huì)以某種難以控制的方式重新進(jìn)入漂移管內(nèi)的反應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)。這樣，如果前一次測量時(shí)留下的樣品濃度較高和滯留較久時(shí)，下次測量時(shí)它們?nèi)詴?huì)參與分子～離子的絡(luò)合反應(yīng)，從而就導(dǎo)致很強(qiáng)的記憶效應(yīng)及很長的清洗時(shí)間，有時(shí)也會(huì)使測得的漂移時(shí)間和離子遷移譜的峰形與樣品的濃度相關(guān)。另外，方波積分器(boxcar integrator)的運(yùn)行速度很慢，獲得一張離子遷移譜圖需要長達(dá)數(shù)分鐘時(shí)間。使用這樣的離子遷移譜儀進(jìn)行分析測量是很不方便的，特別是需要得到定量測定結(jié)果時(shí)就更為困難。經(jīng)過10多年時(shí)間發(fā)展，漂移管的基本設(shè)計(jì)已得到了很大改善。在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，并用Macor絕緣環(huán)取代了藍(lán)寶石使漂移管成為密封結(jié)構(gòu)，如下圖所示，第二個(gè)離子?xùn)砰T也同時(shí)被取消。這樣，再采用計(jì)算機(jī)信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)平均技術(shù)就可使得到一幅離子遷移譜圖所需的時(shí)間由過去的幾分鐘變成幾秒鐘。1

微型漂移管最初，商業(yè)化的離子遷移譜儀約有1.5m高的操作臺(tái)那么大，而經(jīng)過15年的發(fā)展，現(xiàn)在已可做成很小的手持式儀器。這在很大程度上是由于電子器件小型化技術(shù)的進(jìn)步。伴隨電子器件體積的減小，在手持式分析儀CAM中也首次使用了具有重要意義的小尺寸漂移管，其尺寸從原來的90mm(外徑)×200mm(長)減小25mm(徑)×85mm(長)。這是1970年在使用B電離源的漂移管上首次實(shí)現(xiàn)的小型化。早在細(xì)小的陶瓷管被制作出來時(shí)(在邦迪克斯，后來的巴爾的摩環(huán)境技術(shù)公司)，就出現(xiàn)了對(duì)漂移管微型化的興趣。Baumbach等提出了一種小型分析器，即離子遷移傳感器，但這種小型分析器缺少傳統(tǒng)離子遷移譜儀的分辨率。

另一種簡單的微型化漂移管是裝在一個(gè)手掌大小的儀器中使用，這種儀器稱為輕型化學(xué)檢測器(LCD)。在該儀器中，漂移環(huán)是接合在安裝有其他電子元件的電路版上。盡管該漂移管的漂移環(huán)是由15mm×50mm的金屬片制成的，但在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)漂移管是一樣的。最后一種商業(yè)化的微型儀器是前面已述及的利用微制造技術(shù)制作的微分遷移譜(DMS)分析儀，它是由Sionex公司生產(chǎn)的，離子的分離區(qū)為兩個(gè)間隔開0.5mm的矩形板圍成的5mm×13mm的長方形區(qū)域。

還有一個(gè)是美國橡樹嶺(Oak Ridge)國家實(shí)驗(yàn)室制作的微型漂移管，是由直徑為1.7mm的導(dǎo)電環(huán)制成的，漂移管的長度只有35mm。25個(gè)導(dǎo)電環(huán)用絕緣環(huán)隔開并與微型電阻連接。裝好的漂移管放在一個(gè)金屬支架中，用電阻加熱筒將其加熱至22°C一250°C。使用的電離源是能量為每個(gè)脈沖0.1mJ的紫外激光器。與其他采用激光電離源時(shí)不使用離子?xùn)砰T的情況一樣，用的都是寬帶脈沖激光源，以使漂移管的尺寸更小。在IMS分析儀的研究方面，漂移管的微型化將繼續(xù)引起人們的關(guān)注，而離子?xùn)砰T也仍將是傳統(tǒng)漂移管的制約因素。1

其他類型的漂移管有兩種非傳統(tǒng)漂移管的設(shè)計(jì)值得了解，這對(duì)漂移管的設(shè)計(jì)很有意義。其中，Irie等設(shè)計(jì)的一種漂移管在其漂移區(qū)中并沒有漂移環(huán)。離子能夠從離子?xùn)砰T漂移到檢測器，是因?yàn)樵诙咧g1cm~4cm的間距內(nèi)施加了5kV的電壓，但沒有漂移環(huán)。所測離子峰寬約45μs，漂移時(shí)間約700μs，漂移時(shí)間(td)與峰寬比約為15。雖然比值不高，但這種簡單的漂移管設(shè)計(jì)表明，不用漂移環(huán)也可以對(duì)離子的遷移率進(jìn)行測定。

另一種少見的環(huán)結(jié)構(gòu)的漂移管是1970年Stevenson等設(shè)計(jì)的，他們在環(huán)上還使用了網(wǎng)柵。施加在這些網(wǎng)柵上的不同電壓是一些三角形的波，這就在整個(gè)漂移區(qū)構(gòu)成了一些向前和向后方向不同的電場區(qū)域。這里，網(wǎng)柵之間的間距為1cm，兩個(gè)頻率為150Hz~10kHz、0～1000V的鋸齒波被施加在不同的環(huán)(網(wǎng)柵)上。測得的離子遷移率常數(shù)與鋸齒波電壓的變化頻率是相關(guān)的，因此可以控制特定的某種離子通過漂移區(qū)。這種沒有離子?xùn)砰T的漂移管是一種線性離子過濾器，用其測得的離子漂移時(shí)間與半峰寬之比為10。盡管這與分析用的漂移管所得的結(jié)果相比是比較低的，但利用到的離子密度很大。因此，這種類型的漂移管可以作為一種準(zhǔn)遷移譜儀使用。1