（物理电子学专业论文）离子迁移谱实验方法研究.pdf

曲阜师范大学硕士毕业论文 摘要 离子迁移谱( i m s ) 是二十世纪七十年代发展起来的一门新兴的化学分 析技术，被广泛应用于测定痕量的化学武器、毒品、爆炸物、以及空气污染 物等，跟其他的有机化合物分析仪器相比较，它体积小、灵敏度高、适用范 围广、分析时间快、能在大气压和室温下工作，是一种前景广阔的检测仪器。 本论文主要介绍了我们实验室自行设计制作的离子迁移谱仪，与大部分 使用”f 放射性离子源不同，我们使用激光作为离子源，激光电离具有可以 选择合适波长来电离目标分子、提高选择性、并且能拓宽线性范围的优点。 论文的主要内容及其成果如下： 1 首先介绍了离子迁移谱仪工作的基本原理，描述了仪器的基本结构， 然后利用工程设计软件s o l i d w o r l 【s 对迁移谱仪的关键部位迁移管进行设计造 型，给出迁移管内部结构的具体参数，并详细介绍了迁移谱仪其它组成部分 的设计过程。 2 利用计算机模拟软件s i m i o n 对离子迁移谱仪进行了模拟实验。具 体包括信号接收盘半径的大小对信号强度的影响以及改变离子门电压对离 子飞行时间的影响。通过模拟实验得出真空状态下信号接收盛半径与信号强 度的关系式，以及迁移管内离子门开关电压阈值。 3 对加工完成的离子迁移谱仪系统装置进行初步实验优化，得到了一 些重要的实验结果，具体包括电场强度、迁移管长度、迁移气体流量、以及 进样流量对信号强度的影响。 关键词：离子迁移谱；多光子电离；迁移率；s i m i o n ；分辨率 曲片师范大学硕士毕业论文 a b s t r a c t i o nm o b i l i t ys p e c t r o m e 竹y ( i m s ) i san e wt e c h n o l o g yf o rd e t e c t i n gc h 锄i c a l w e a p o n ，d r u g ，e x p l o s i v e sa 1 1 de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e r a 1 1 a 1 ) 吨i c a lt 0 0 1 sf o ro 唱a n i cc o m p o u n d ，i th a sa d v a n t a g e so fs m a l lv 0 1 u m e ，h i 出 s e n s i t i v i 劬b r o a d 印p l i c a b i l 姆a i l dh i 曲s p e e d i t a l s oc a 工1w o r ku n d e r a m l o s p h e r i cp r e s s u r e 姐dr o o mt e m p e m n l r e s o t 1 1 a ti tm u s tb eal ( i n do f i 1 1 s t 艇n e n t a t i o nt oh a v eb r o a da p 群i c a t i o n s t h ep a p e rm a i n l yi m r o d u c et h ei m s 也a tw a sd e s i 印e di n d e p e n d e n t l yi no l l r 1 曲o r a t o ua si sd i 虢r e n tw i mt h em 旬o r 时o f u s i n gr a d i o a c t i v e ”mi o ns o l l r c e ， w eu s et h e1 a s e rt ot a k et h ei o ns o u r c e b e c a u s el a s e ri o i l i z a t i o nc a nc h o o s c s l l i 协b kw a v e l e n g mt oi o i l i z et 1 1 et a 略e tm o l e c l 】l e ，a n di ta i s oc a nr a i s es e l e c t i v 时 a 1 1 di c r e a s e1 i n e a rr a i l g e t h em a i c o n t e n ta 1 1 da c h i e v e m e n t so ft l l i s p a p e ri n c l u d et l l r e e i t e m sa s f o l l o w s ： 1 t h ep 印e rg i v e sa l lm 舶d u c t i o nt ot h ep r i n c i p l ea n ds y s t e mc o n n g u r a t i o n o fa1 a s e ri o n i z a t i o ns o u r c ef o ri o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t i y 矗r s t l y ，a 1 1 dt h e nd e s i g n s m ek e yp a n so fm ei m s ( 蹦f cm b e ) u s i n gs o l i d w o r k s 1 1 1 ec a l c u l a t e dp a r a i i l e t c r o fm e 嘶f c 讪ei sg i v e ns u b s e q u e n t l y 1 1 1 ep 印e ra l s oi 腑o d u c e st h ed e s i g l l i n g p r o c e s so f t h eo t l c rp a r t so f i m s 2 h a v i n gd o n es o m es i r n u l a t i v ee x p e m l e n t st oi m si ns m o n i tm a i l l l yc o m a i l l st h er e l a t i o nb e t w e e nt 1 1 er a d i u so fi o nc o l l e c t o ra 1 1 ds i 印a l 缸e l l s 咄a n dt h ea 恐c t i o no f v o l t a g eo f t h e 埘矗t 1 1 b ea 1 1 dn i g h t t i m eo f t h ei o i l s 3 o p t h i z i n gt 1 1 e 觚s h e di m sp m a r i l y ，s o m ei m p o r t a n tr c s u l t sa r e 百v e n i 1 1 c i u d i n gt h ea f f b c t i o nb e t v 旧e ne l e c t r i c - 五e l di n t e n s i t y ，t h ei e n 戡ho f d r i rt u b e ，t h e 1 l 曲阜师花人学预喜。涸确硪强 ；善磊 髫ia ：基耋巍s 珏然苷i 震譬目譬t s 鼻“残驵k u 科甜u 蒋茹基“曼娄村葺l i 薹琶i q l d l 是i i o nj 垂盖 攀 琶i 善! 鼋i 膏1 w 硅盘蚪娃l ：i 量j _ ( o j i b 蠹s s r ；i l l 籀j 三曩誉i ，囊鼍驰拊。擘臣珏曼ir 耋耋亏? ；壑霜；蓦 事 最童j 甄薹；薹羹篓耋主tg 塞! 羹1 2 曩藜地x 曲卓师范人学颂一l 毕业论义1 1 i m s 简介 第一章绪论离子迁移谱( i o n m o b i l 畸s p e c 仃o m e t r y ，i m s ) ，也口q 做离子迁移率谱，是 过去几十年来发展起来的一门新兴气相分析和检测技术【j，最早出现在1970 年。ims主要是通过气态离子迁移率的不同来达到分析物质的目的。在一定 条件下，离子迁移率是物质的一种属性，不同的物质其迁移率不同，迁移率 被定义为单位电场强度下的离子迁移速度，用公式表示如下： = k e 其中世为离子迁移率，五为电场强度，圪为离子迁移速度。因此，当待检测 样品被电离形成带电离子后，带电离子会在电场作用下产生迁移，因为各种 离子迁移率不同，所以其飞行速度也就互不相同，这样我们就可以来达到对 样品的分离和检测。i m s 技术和已经发展比较成熟的飞行时间质谱 ( t o f m s ) 分析技术有些类似，不过质谱分析需要工作在高真空条件，而 i m s 只需工作在大气环境条件下，这也是i m s 检测技术的一个优点。另外， 跟其他的有机化合物分析仪器相比较，i m s 还具有体积小、灵敏度高、适用 范围广、分析时间快等优点，因此，i m s 是一种前景广阔的检测仪器。 1 ，2 i m s 社会需求 当今社会，恐怖组织对民用设施和无辜平民百姓的袭击事件屡屡发生， 毒品走私比较猖獗，对人民的生命财产、社会稳定构成了一定的威胁。许多 国家的研究机构都在加速研究对爆炸物和毒品的高灵敏度探测手段。总体来 说，可以用两种类型来概括这种探测手段：一类是对大宗爆炸物和毒品的检 测，这可以通过x 射线探测技术或中子成像技术来实现；另一类是对被测对 象的气态分子或颗粒物作痕量检测，这类技术也同样可以应用于各种微量分 析或隐蔽物的探测。而离子迁移谱( i m s ) 就属于第二类检测技术。基于i m s 曲阜师范大学顾+ 毕业论文 技术的检测仪器，凭借其仪器简单、体积小、功耗低、灵敏度高和分析时间 快、以及能在大气压和室温下工作等许多优点，现在已经在毒品检测【2 “、爆 炸物探测【5 】、化学战剂检测扣，”、大气和水有机污染检测娜】、工厂有毒气体监 测【l “1 2 j 等领域得到广泛的应用。它正在更为广泛的进入人们的日常生活，并 且和人类的健康与生命财产安全息息相关。虽然在国外已经有商品化的仪器 生产，并且已经得到广泛的应用，而在国内这方面的报道还不多。因此，为 加强国家安全和社会稳定，我国众多机场、港口码头、海关、边防哨所迫切 需要该检测设备，所以对此展开研究具有强大的社会需求做后盾。 1 3i m s 发展历程 在i m s 诞生之前，质谱( m a s ss p e c t r o m e 拓y ，m s ) 分析和气相色谱( g a s c h r o m a t o 掣印1 1 y ，g c ) 分析已经是发展比较成熟的两种化学分析技术。但是随 着时代的发展，对操作方便、简单快速、小型化、实时性的分析检测仪器的 需求越来越明显，而这正是m s 和g c 所不能满足的，在这种情况下，i m s 技术应运而生。 i m s 最早出现在上个世纪7 0 年代，主要用来做飞行时间质谱仪和气相 色谱仪的前端成分的粗定【”。在它发展的早期由于不能直接确定物质分子量 而未引起重视。然而在早期的实验室研究中，ims己显示出明显的优越性， 仪器结构简单并且具有很高的分析灵敏度(可以高达ppb量级)，从而引起人 们极大的兴趣。但是，由于当时的实验条件的限制，无法解决温度和其他因 素干扰的问题，从而限制了ims的发展和应用。因此ims技术的发展一度 停滞，近年来随着实验仪器性能的提高，i m s 才又迅速发展并获得广泛的应 用。 i m s 技术发展初期主要是应用在爆炸物和毒剂的检测方面，并于2 0 世 纪8 0 年代初研制出军用现场检测仪器。但是因为其分辨率低的缺点和当时 对大气压力下离子化的特性了解不多，民用方面的发展缓慢，并且其研究工 作也只是局限于有限的几个政府和大学实验室。进入2 0 世纪9 0 年代， 随着国际上恐怖组织的盛行，许多国家政府加大了对i m s 这种检测仪器的研 曲串师范人学硕士毕业论文 1 4 2 环境监测 早在2 0 世纪9 0 年代，i m s 就已经用于废水中氨的监测。近几年，又 出现了大量i m s 测定环境污染物的工作，例如w a l l 等1 1 剐利用薄膜接口的手 持式i m s ( 商品名称c 舢订) 对水中痕量b t e x 进行了实验测定，能够在短时间 内对河水中痕量汽油组分进行测定。 自从2 0 世纪8 0 年代以来，甲基异丁基醚( m t b e ) 就在高等级汽浊中作 为增加辛烷值的铅的替代品得到广泛应用，但是它被认为是一种危险的、潜 在的致癌物。它易溶于水，不易从环境中除去，因此希望能够发展一种对其 进行在线监测的系统，目前对其测定方法主要有气相色谱、气相色谱一质谱 和傅里叶变换红外光谱法等。离子迁移谱法是一种新兴的方法，而且可以用 于现场监测。s i e l e i n a i l i l 【1 9 】用毛细管束与放射性”f 和紫外灯离子源离子迁移 谱仪对m t b e 进行了测定。”f 对n 2 中m t b e 的检测限是2 0 p l ，水中 是1 n 班 砚j娄錾l 耋；l 量。霎薹噬磁蠼；受篮冽，鼎烈强型拍烈帐抬坼尉i 简 ；f 亚；到毳蘩萋r = 匿琴蚕到。手彝要= 吾錾堇。 曲阜师弛大学硕士毕业论文 第二章离子迁移谱的基本理论 2 1 离子形成原理 利用离子迁移谱仪检测样品首先需要对样品进行电离，生成带电离子， 传统的离子迁移谱仪一般采用”f 放射性离子源，发射出的8 电子和空气中 的n 2 、0 2 、h 2 0 发生反应，生产反应物离子，然后样品分子再和反应物离 子发生反应生成产物离子。放射性离子源具有稳定、简单、方便的优点，但 也有缺点，例如具有放射性、线性范围窄、选择性不强1 2 4 】等。我们使用激光 作为离子源，激光电离具有可以选择合适的波长来电离目标分子、提高选择 性、并且能拓宽线性范围等优点。我们使用的是以k r f 为介质的准分子激光 器，输出激光波长为2 4 8 r l i n ，能够激发各种主要的有机化合物，而大气中稳 定的气体分子如n 2 、0 2 、c 0 2 等却不被激发。 2 1 1 光电离 1 9 0 5 年，爱因斯坦根据普朗克能量子假说而进一步提出的光量子( h g h t q u a n t n ) ，即光子口 的概念，这对光与物质作用的研究做出了决定性的贡献。 爰因斯坦光子假说的核心思想是：表面上看起来连续的光波是量子化的，单 色光由大量不连续的光子组成，若单色光频率为v ，那么每个光子的能量为 蹦，光在与原子分子的作用是以光子为单位进行的。 原子或分子吸收一个或几个光子而电离，称为光电离口q 。光电离的机制 可以分为直接电离和白电离两利。直接电离是分子中的某一电子被光子直接 “出击”而电离。这时分子的核间距离应当变化不大。自电离则是分子首先被 光共振激发到某一能量高于电离能的超激发态( s u p e r e x c i t e ds 协t e ) 。该态很容 易被微扰而跃迁到一个离子自由电子状态。 易被微扰而跃迁到一个离子自由电子状态。 2 1 2 多光子电离 6 曲阜师范大学硕士毕业论文 第三章i m s 仪器构成及其设计 3 1 i m s 仪器构成 一个典型的i m s 系统主要由下面几部分组成：进样系统、离子源、迁移 管、迁移气体制备系统、电控系统、温度控制系统、信号接收系统等，如图 3 - 1 所示。其中迁移管是i m s 仪器的主体，以迁移管为中心，其余部分都直 接或间接与迁移管相连，并对迁移管进行控制或者调节。下面就分别详细介 绍i m s 的具体结构设计。 图3 1n s 仪器结构框图 f i g 3 - 1t h es 仃u c t 【l r ed i a g r a mo f i m s 3 2 进样系统 i m s 工作环境为大气压，这也是i m s 仪器的一个主要优点，那么在大气 压下进样，则需要解决两个问题：( 1 ) 样品流速的稳定性和可控性；( 2 ) 样 品气体压强的恒定性。为了解决这两个问题，我们设计的进样系统采用大连 光明化工研究所的聚四氟采样袋进行实时采样或者配制样品气体，其中配置 样品气体时采用氮气( 9 9 9 ) 作为载气。采样袋经内径为4 i n m 的输气管与 曲阜师范大学硕士毕业论文 一台3 l m i n 的微型真空泵( p s f 6 0 0 3 2 4 v ，成都锐意) 进气口相连，真空泵 出气口同样经输气管与一转子流量计( l z b ，沈阳北星) 相连，流量计可控 范围为6 0 6 0 0 m l ，m i n 。通过流量计可以控制进样流速，最后样品气体通过流 量计进入电离室。在实验过程中，如果需要配制定浓度的样品气体，可以 把采样袋直接与我们实验室设计的标准配气台相连，这样可配置任意浓度的 样品气体。 3 - 3 离子源 迁移管是i m s 的主要部分，而处在迁移管内电离区的离子源是关键部位 之一。到目前为止，用到的离子源有许多种，具体包括”f 放射性离子源【3 7 j 、 电晕或者局部放科3 8 】、激光f 3 9 l 、表面离子化【4 等。其中放射性离子源凭借稳 定、便宜、体积小、而且不需外加能源的优点从而成为最常用的离子源。但 是放射性离子源也有明显的不足，例如线性范围窄、选择性不好和放射性污 染等。近年来，电晕放电电离源在i m s 应用中逐渐增多，电晕放电所产生的 电子密度非常大，在纯净的氮气气氛中阴极电晕放电所发射的电子密度是 ”i 源的1 0 6 倍，因此灵敏度比较高，非常有利于检测能生成高电负性离子 的化合物。另外，电晕放电i m s 可以检测一些”m 源i m s 不能检测或灵敏度 很低的非挥发性链烷烃和芳香族化合物等1 4 “，还可以对液体样品直接进行分 析。u v 灯电离和激光电离都属于光电离，能量超过一定数值的紫外光子也 能使化合物电离，与同位素放射源相比，它有两个明显的优点：首先，这是 一个初级电离过程，因而其线性范围不受反应离子浓度的限制，可以达到5 个数量级；其次，它的离子迁移率谱不含反应离子，因而整个迁移谱都可用 于产物离子测量。激光光子同样能使化合物分子激发，激光电离可以选择合 适波长来电离目标分子、提高选择性、并且能拓宽线性范围。我们实验室所 采用的就是激光离子源，用到的激光器是加拿大m p b 公司的p s x 1 0 0 型准分 子激光器，该激光器采用d 删，c d i m 标准制造，它具有体积小 ( 3 0 0 2 6 0 2 l o ) 、操作方便等优点。激光器使用介质为 。，输出波长为2 4 8 m ， 芳香类有害污染物对该波长有较好的吸收作用。因此，波长2 4 8 n n l 是理想的 曲蚕掣盥坠毫州e f 雌璺螫 ；岛幕霎讨软件萄超并嚣 囊嚣转甏墅鬟而疆j l ；登塾蔼m ： l g 弱嚣鬟丽蠢韩泛势髓耕。 ：室i 裂墅击强熨? ! ? i 崮强制薹埃珊涮； 塑奎爱卜蛩煳翻筝柏誊置虱垦襄型毫燮誉型曩裂簿掷贫富配譬幽：蠢。 州寡雕甄= 茜娩醛颤融兰睡到k 艟划i i ；辫篷翱笛滋璀滗馋塞晕鼎塑型参髫； 必彭 x 曲阜师范人学硕士毕业论文 3 4 3 离子门 离子门位于电离区和迁移区之间，设计为由两个靠的很近的金属门栅组 成。两门栅之间用聚四氟薄片进行间隔绝缘，可以通过增减聚四氟薄片来改 变间隔厚度，其可调范围为o 5 2 m m 。对于所采用的栅网，其离子透过率 达9 8 以上，完全满足实验要求。然后在两片栅网上加上与迁移方向相反的 脉冲电压，这样就在两栅网中间形成一反向脉冲电场。当加上与迁移电场相 反的电场，即离子门关时，带电飞行离子就会被阻止在离子门前；相反当去 掉反向电场后，即离子门开时，带电离子在迁移电场作用下进入迁移区进行 迁移。 3 4 4 迁移区 迁移区是由一系列不锈钢导电环和聚四氟绝缘环交替排列组成，具体尺 寸如表3 1 。采用直径为5 蚴的不锈钢标杆把一系列的导电环和聚四氟环串 连在一起，然后在标杆和导电环之间加上聚四氟薄片对其进行绝缘，导电环 之间连接相同的电阻，对迁移管进行均匀分压，使迁移管内形成一均匀电场， 电场强度可调范围为5 0 - 3 5 0 v ，c m 。 表3 1 迁移管具体尺寸 3 5 信号接收 迁移管末端为一法拉第盘，用来获得离子信号，其直径为2 6 5 0 m m ，厚 度为3 m m ，背面有信号线引出端口，如图3 4 所示。在法拉第盘前面还需要 加一金属栅网，它的目的是主要为了防止电荷的堆积，提高探测效率，并可 以屏蔽由于离子门开启和关闭时电压所造成的噪声。另外，栅网与法拉第盘 曲阜师范大学硕士毕业论文 间的距离设计为2 m m 。如果测电流信号，法拉第盘直接通过引线与静电计 ( 6 5 1 4 ，美国k e i t h l e y 公司) 相连：如果测波形信号，法拉第盘通过引 线连接1 0 m q 电阻用示波器( t d s 3 0 5 4 b ，美国t e k t r o n i x ) 和计算机来 采集。 图3 4 法拉第盘外形设计 f i g 3 - 4 t h es o l i d w o r k sm o d e l i n go fi o nc o l l e c t o “f a r a d a y p l a t e ) 3 6 迁移气体 在迁移管的后面需要加入迁移气体，迁移气体一般采用氮气或者纯净的 空气。迁移气体除了使得带电离子形成一平均速度以外，还有其他两个方面 的作用：一方面可以把一些杂质气体从迁移管中去掉；另一方面可以阻止多 余的中性样品分子进入迁移区后继续产生离化反应，避免了由于继续反应导 致的谱线变宽，从而提高了仪器的灵敏度和分辨率1 4 2 】。 我们采用纯净的空气作迁移气体，同样由内径为4 m m 的输气管与一台 3 m n i l l 的微型真空泵( p s f 6 0 0 3 2 4 v ，成都锐意) 进气口相连，真空泵出气 曲阜师范大学硕士毕业论义 口同样经输气管与一转子流量计( l z b ，沈阳北星) 相连，流量计可控范围 为6 0 6 0 0 m 1 m i n 。通过流量计可以控制迁移流速。最后迁移气体和一些中性 气体物质通过迁移管的出气口流出。 3 7 电控系统 仪器装置采用高压电源( g y u o 5 ，营口市高新电力电子技术应用研究 所) 进行供电，高压电源可调电压范围为0 5 k v ，最大电流为2 m a 。在不 锈钢迁移环之间连接一系列同样大小的电阻，阻值为l m q ，第一个不锈钢 迁移环连接到高压电源，末端电阻接地，形成一回路。然后通过调节高压电 源的可调旋钮，就可改变电路的电流大小，使得迁移管内形成不同的电场强 度。 3 8 温控系统 i m s 设计过程当中，温度也是个需要考虑的重要因素，因为在不同的 温度条件下，离子峰的位置可能不同。我们设计的i m s 外层为一可密封的空 腔不锈钢管，可以用温控器( g c m 1 3 a r f ，狮威) 控制加热带对其加热， 从而控制迁移管内温度。在实验开始时，因为加热带对温度有一定的滞后性， 当达到相应温度，温控器关闭加热电路时，加热带还要继续升温。为解决这 个问题，我们采用可调温压电源对加热带进行加热。 曲阜师范大学硕士毕业论文 第四章i m s 模拟实验研究 对于i m s 来说，迁移环内径和外径的比值是个重要的参数。如果从接 收信号强度方面来看，接收盘半径越大，也就是迁移环内径越大，接收到的 离子数则越多；而从电场均匀性方面来考虑，迁移环内径如果非常小，导电 环问可咀看成为一平行电场，则迁移环之间行成的电场均匀性就越好。下面 首先利用计算机模拟软件s i m i o n 来设计模拟激光离子源i m s ，对接收盘半 径与信号强度之间的关系进行模拟实验。对于i m s 存在的另一个问题是离子 门的开关状态电压值，以及在电压值为多少的情况下，才能保证带电离子在 离子门前停留的时间大于脉冲电压周期的一半。为此，同样利用s i m i o n 对 i m s 的核心部件迁移管进行设计，模拟带电离子在迁移管中的飞行，得到迁 移管内部离子门开关状态所需电压阈值。 4 1 模拟软件s l m i o n3 d s m 0 n3 d 是一款模拟设计软件，能够模拟离子在电场或者磁场中的飞 行，显示离子飞行轨迹，还可以分析研究在二维或三维坐标下改变离子各种 参数离子飞行特性。s i m l 0 n 最早是在1 9 7 7 年由d c ，m c g i l v e r y 设计出来 的，后来被美国爱达荷州国家工程实验室的d a v i d d a l l l 推广和发展【4 3 ，现在 s i m i o n 已经具有非常强大的功能，不仅能够模拟离子在电场或磁场中飞行 这种简单的系统，而且还能模拟飞行时间质谱、四极质谱、离子源、光学探 测器等更加复杂的系统。 s i m i o n 主界面如图4 一l 所示，其中在左侧一栏为各种功能参数按键， 第一个字母为快捷键；窗口右侧可显示当前文件名称，以及文件所占用空间 的大小。s 蹦i o n 既可以模拟电场又可以模拟磁场，下面就以模拟电场来分 别简要介绍一下左侧按键的主要功能： 1 a d j u s t 用户可以利用这个按键来调节s n m 0 n 各种工作环境，具体 曲阜师范大学碗 毕业论文 包括可以任意改变界面颜色、按键声音效果以及屏幕分辨率等。 2 d o u b l e 和h a l v e当对电极大小进行改变时，为防止电极尺寸超过 原来设定的边界，可以利用d o u b l e 按键把当前设定的边界迅速扩大一倍。 同样，也可以利用h a l v e 按键迅速缩小一倍。 3 f a s t 在设计电极时，如果想改变电极电压大小，可以通过f a s t 按 键迅速调节。 4 m o d 坶可以用来修改一个势能文件( p a 文件) ，并可以改变其类 型、大小、对称性等。可以通过选择右侧相应p a 文件或电极m o d 晦按键或 m 键进入m o d 澌操作界砸。 5 n e w 创建一个新的p a 文件，设置电场边界尺寸参数，设定电极电 压值，对于电极具体外部形状有两种方法，可以通过软件本身给定具体画图 工具来完成简单的造型，也可以通过软件编程( 例如c + + 语言) 来构造比较 复杂的模型。 6 r e 曲e 在创建一个p a 文件以后，对电极进行设计造型以及设定电 压参数后，需要再点击r e f m e 按键进行自动装入，否则不能形成坡度势能面。 7 c w 对创建完成的p a 文件进行r c 丘n e 按键操作后，下一步需要 点击e w 键，进入电极模拟界面，可以观看三维实物模型以及二维( x y 、 x z 、y z ) 下的形状，而且可以定义飞行离子的各种初始参数，例如离子数、 离子的质量、初始动能、离子的初始位置等，并能演示离子的具体飞行轨迹， 最后得到离子的飞行结果，包括离子的末动能以及飞行时问等。 8 l o a d 和o l d 通过这两个键，可以直接装入已经创建的p a 文件。 9 s a v e 保存己创建的p a 文件。 1 0 g u if i l em a l l a g e r 直接进入图形用户界面按键。 1 1 e n d 退出s i m i o n 程序按键。 1 9 曲阜师范大学硕l 牛业论文 图4 1s i m i a n 主界面 f 嘻4 1t h es 蹦i a nm a i nm e n u 4 2 接收盘半径对信号强度的影响 由于采用激光作为离子源，激光光斑非常小，所以可以只考虑激光柱状 光束所含区域离子。如图4 2 所示，已知两极板间电压为1 0 0 0 v ，距离为 4 5 r m ，极板a 半径为3 0 m m ，极板b 半径从1 哪3 0 n l m ，所处状态为真空。 离子的初始状态参数如图4 3 ，其中离子数为6 6 。初始离子位置参数： x m m ，y ；一2 9 5 衄，y = o 9 i 砌。在z = 0 、2 、4 m m 的情况下( 偏移中心 线的距离) ，改变接收盘b 的半径r ，r 的范围为：1 3 0 m m ，然后计算接收到 的离子数，得到信号强度s 和r 的关系，如图4 4 所示。经过计算可以得到 半径r 和信号强度s 之间的关系式，见表4 1 。可以看出，在z = o 、2 、4 m m 三种情况下，接收到的离子与接收盘半径可看作成正比关系，并且在中心线 附近上下2 n l n l 范围内，其正比系数基本接近，而这正好符合激光离子源的 曲罩师范本兰姆土毕业谁 蠢冀羹冀向繁鬻蓊鬓 奄厦扭曲极扳回蝗魁搏授髁粥臻剽阻暂墨誉堡变霉雒繇，蒂e e i 关系迹 崞煎嘴禳湛寺嘧瑗灌| 彳谣强烫矗葭一日和：鳝翊到；f ：= 登剥剖直1 i 至引掣 色骤；剥掣钉燃舻巍。攀强燮蓊荆燮当羹黧鏊蠹鬻篓赫。斌塑嚣鲢黼。丑 鬃馑赢嘱蟮塔谲强掣冶塞巷 x 曲阜师范大学硕士毕业论文 对于；蓥：妻。季黉蘑萋薹薹薹季薹妻奏鍪囊；霎鬻露出裔警鸯函吏；蔫 笋而拼骈爵善蝼氆j 训州。型世酉嘉翟囊纠肾手l i 魅茂缝l l h ：遒猿删鐾 枣拦? 行1 睦囊嚣班餐麓* 学最二醛萋皙戛擎嚣鎏崮塑浆蚀型冀一i l 囊i 尊 熹；婆铭霸豹“并i 魏彰蒋豫哲事狸硼圳一懿蓥囔限j 酩i 蓁臀墒翻豁转彰裂 则刮鲔副墨；? 锅5 。? 籀0 凄噬渗j 暴驷嚣评验结果 如果样品的流量越大，则离子的初始动能就越大，实验过程中对进样流 量进行调节，图5 5 为实际实验结果，可以看出信号随进样流量的增大总体 变弱。在真空状态下，用st m i o n 对其进行模拟，改变离子的初始动能，模 拟得出的结果如图5 6 ，可以看出在离子门为开的状态下，迁移管内电场均 匀性比较好，改变离子的初始动能到达接收盘的离子数目几乎不变。s i m i o n 模拟结果与实验结果并不一致，因此迁移气体和没有被电离的中性离子减弱 了信号强度。实际检测样品时进样流量可选择1 0 0 4 0 0 m i n 这个范围。 图5 5 样品流量对信号的影响 f i g 5 5t h er e la t i o n s h i pb e t w e e nt l l ef l o wr a t eo f 曲阜师范大学硕士毕业论文 增大而变强。另外，在迁移管长度小于1 0 c m ，场强小于2 0 0 v c m 时，加迁 移气体测得信号强于不加迁移气体。对此解释为当场强不是太大时，迁移气 体与带电离子碰撞，在一定程度上减少了碰壁离子的数目。还可以看出，当 迁移管长度大于1 0 c m ，电场强度大于2 0 0 v c m 时，加迁移和不加迁移信号 起伏不大，对此解释是：离子飞行时间越长，则迁移气体对离子作用时间也 越长，从而离子飞行的总体效果改变并不明显；另外电场越强，离子加速度、 速度越大，迁移气体对离子飞行状态改变也相应变小。 e ( v ，c m ) 图5 1 迁移管内电场强度对信号强度的影响 f i g 5 - 1t h er e l 撕o i l s h i pb e t 、v e e nea 1 1 ds i g i i a l i n t e n s i t y 5 2 迁移管长度对信号的影响 通过上面的实验，我们初步得出迁移管的长度调节为1 0 c m 左右对信号 接收效果比较好。对此，我们再次在电场强度恒定的情况下进行实验验证。 实验时，迁移管调节范围为2 5 1 7 5 m m ，电场强度为2 0 0 v c m ，进样流量为 5 0 0 m l a i l i n ，迁移气体流量为4 0 0 m l ，m i i l ，温度为2 0 0 摄氏度，湿度为5 0 。 实验结果如图5 。2 ，其中b 表示加迁移气体，c 表示不加迁移气体，通过实 一vd一鲁c3libcois 曲卑师范大学硕士毕业论文 相对要弱，而迁移流速在1 0 0 一6 0 0 m l m i n 这个范围内对信号的影响并不明显。 由实验数据同样验证了信号强度跟场强的关系。场强为2 0 0 v c m 的条件下对 信号进行检测结果如图5 4 。可以看出迁移气体流量从1 5 0 m l i n i n 到 6 0 0 m l m i i l 信号强度相差不大，而从o m l m i n 到1 5 0 m 1 ，m i n 是一个上升的过 程，跟图5 3 基本相符。、 图5 3 迁移气体流量对信号强度的影响 f i g 5 - 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en o w r a t eo f d r i ng a sa n ds i g n a li n t e n s i t y 图5 4 场强为2 0 0 v ，c m 条件下迁移气体流量对信号强度的影响 f i g 5 _ 4t h cr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt 1 1 en o w r a t eo f d r m g a sa n ds i 印a li n i e n s 姆 一d)釜ncal u | 面c 量 一vd一参c粤uj面c西is 曲阜师范人学硕i 毕业论文 5 5 信号波形 5 5 1 实验过程 在大气压条件下，迁移管长度为2 5 m m 和5 0 m m 两种情况下利用示波器 来观测信号波形，实验对激光能量约为2 2 8 i n j ，准分子激光器采用内触发， 频率为1 0 h z ，信号接收端通过一个1 0 m q 电阻与示波器相连，改变迁移管 电场强度采集信号波形。 5 5 2 实验结果 迁移管长度调节为2 5 m m ，只包含两个不锈钢导电环，分别调节电源电 压值为5 0 0 v 、6 0 0 v 、8 0 0 v ，利用示波器对信号进行监测，信号波形如图5 7 所示。通过波形图可以看出，信号强度随电压增加而变强，但是通过图 中显示，信号波形只有一个波峰，有两个原因可能造成这种结果：首先是离 子门状态为开，不能保证所有带电离子能够同时进入迁移区；其次激光频率 设定为1 0 h z ，周期太短，这样产生带电离子的间隔非常短，使带电离子容 易形成一连续信号。 为此，把迁移管长度调节为5 0 m m ，在电压值为1 0 0 0 v 、1 2 0 0 v 、1 3 0 0 v 三种情况下对信号进行检测，得到的实验结果如图5 8 所示，由实验结果 同样可以看出随着电压值变大，信号强度也相对变强，但是与迁移管长度为 2 5 衄时测得信号波形相比较，有着明显的改变： 1 虽然电压值变大了，但是其信号强度显著减小。 2 信号波形出现了两个波峰。 由此可以得出，加大迁移管长度，在一定程度上有利于带电离子的分离。 曲阜师范人学硕士毕业论文 图5 - 7 电压与信号强度波形图 f 培5 - 7t h ef a p hb e t 、v e e nv 0 1 t a g ea i l ds j 印a li n t e n s 时 图5 - 8 电压与信号强度波形图 f i g 5 81 1 1 e 酗p hb e t 、v e e nv o l t a g ea n ds j g l l a li m e n s n y 曲阜师范大学硕十毕业论义 参考文献 【1 e i c e m a nga ，k a i p a sz ，i o nm o b m t ys p e c t r o m e t r y m 】b o c ar a t o n ：c r c p r e s s ，1 9 9 4 ，l - 2 2 8 2 c l l i h w us u ，k i mb a b c o c k ，s t e v em g d o n t h ed e t e c t i o no fc o c a i l l eo n p e 仃d l e 眦c o m 锄i n a t e ds a m p l e su t i l i z i n gi o nm o b i l i t y s p e c t r o m e t r y j 】 u i m s ，1 9 9 8 ，1 ：1 5 2 7 3 l a w r e n c eah ，c h a r a c t e r i z a t i o no fb e n z o d i a z e p i n ed r u g sb yi o nm o b i l i t y s p e c 订o m e t r y 【j 】，a n a l c h e m 1 9 8 9 ，6 1 ：3 4 3 3 4 9 4 】f e t t e r o l fdd ，d o n n e l l yb ，l a s s w e l lld p o r t a b l ei 1 1 s t m m e n t a t i o n ：n e w 、e 印o n si nt h ew a ra g a i n s td m g sa n dt e r r o r i s m 【j 】，p m c s p i e i m ：s o c o p t e n g 1 9 9 4 ，2 0 9 2 ：4 0 一5 2 【5 】e w i n grg ，a t h n s o nda ，e i c e m a ng a ，c ta 1 a c r i t i c a l r e v i e wo f i o n m o b i l i t ys p e c 打o m e t r yf o rm ed e t e c 6 0 no f explosives a 1 1 de x p l o s i v er e l a t e d c o m p o u n d s j 】t a l a n t a ，2 0 0 1 ，5 4 ：5 1 5 - 5 2 9 ，【6 】k a i t u o v i 嘲，h e i k k ip a a k k a n e n ，0 锄oh i n n i n c n d e t e m i n 撕o n o fs o m a l l a n dv x d e g r a d a t i o np r o d u c t sb ，a na s p i r a t i o ni o nm o b i l i t ys p e c t r o m e 缸y j a n a l 州c ac h i m i c aa c t a ，2 0 0 1 ，4 4 0 ：1 5 1 - 1 5 9 7 r e i da s b u r yg ，c h i n gw u ，w i l l i 锄fs i e m s