漂移管

漂移管是IMS分析儀中最關鍵的部件，設計上的缺陷或材料選用的不當均會造成靈敏度低、解析度差和嚴重的記憶效應。

漂移管可用無氧銅製成，為使它有一定的機械強度，其壁厚選在6毫米左右。它也可用不鏽鋼鍍銅製成，銅層厚在0.1毫米左右。漂移管包括其內的四極透鏡，重量達幾十公斤。這就要求它的支承桿有足夠的強度。

基本介紹

• 中文名：漂移管
• 外文名：drift tube
• 用途：IMS分析儀中最關鍵的部件
• 組成：一個管體及兩個端蓋
• 分類：直流電場漂移管、交流場漂移管等

簡介

漂移管是IMS分析儀中最關鍵的部件，設計上的缺陷或材料選用的不當均會造成靈敏度低、解析度差和嚴重的記憶效應。對於漂移管設計和製作的方法。有兩種得到認可的基本設計是線性(直流)電場漂移管和不對稱(交流)場漂移管。許多其他的設計也都經過實驗證明，並且有些已經商業化，如吸氣式(或氣路開放式)漂移管的設計。所有這些漂移管的共同特徵是它們都有一個電離源和反應區、一個漂移(或分離)區和一個檢測器。電離源和反應區是離子生成的地方；漂移(或分離)區是按遷移率差異對離子進行分離的區域；檢測器是一個接收離子和產生電流信號的金屬電極盤。在設計良好的漂移管中，全部的離子化學反應都應該在反應區內完成，這樣離子一旦形成，它們在漂移區內達到檢測器之前就應保持不變。在市售的IMS儀器中，通常是將漂移管與進樣系統、控制器和數據處理系統集成在一起的，如圖冊所示。而研究用的儀器通常都是模組化的，可以根據具體套用進行裝配。

漂移管的結構

漂移管可用無氧銅製成，為使它有一定的機械強度，其壁厚選在6毫米左右。它也可用不鏽鋼鍍銅製成，銅層厚在0.1毫米左右。漂移管包括其內的四極透鏡，重量達幾十公斤。這就要求它的支承桿有足夠的強度。支承桿的材料可採用無氧銅、鈹銅或不鏽鋼鍍銅等。後兩種材料的強度較好。四極透鏡內的芯管，可採用厚度小於1毫米的蒙乃爾管或不鏽鋼管。

漂移管的結構如圖所示。它本身有一個管體及兩個端蓋組成。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。端蓋的製造先經鍛壓成型(在高溫550°C以上)，然後淬火消除應力。經粗車後用數控車床外圓弧(R_c)及內圓弧(R_hc)為減少在管壁上的功率損耗及避免漂移管間的電擊穿，管的表面應有較高的光潔度和清潔度。

漂移管結構示意圖

漂移管支承桿由同心的三根管道組成，最裡層的中心管道用於安放透鏡的引錢，引線可採用具有抗輻照性能的絕緣層的銅線。最外層的管道，為冷卻水進水管道。冷卻水用來冷卻支承桿外壁，並流經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。這種結構使支承桿的溫度沿它的周向均勻分布，可避免由於桿上的局部溫差引起桿的變形。

漂移管的焊接工藝分兩種，一種是真空釺焊，另一種是電子束焊。前者主要用於管體及支承桿的焊接，芯管與另一個端蓋的焊接，支承桿與波紋管的焊接等。這種焊接是在透鏡裝進漂移管之前進行的。真空爐內最高溫度可在850°C左右，採用銀銅焊料。將透鏡裝進管體後，漂移管各部件的焊接不能再用真空釺焊，否則透鏡的電氣絕緣性能將在持續高溫下被破壞，因此需採用速度很快的電子束焊。電子束焊用於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採用的電子束焊參數有兩組。一組用於端蓋與管體的焊接，其參數是：電子束流強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。這個焊接可分兩道工序完成，第一道是深焊，以保證焊接強度；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Q值影響較大。因為“類”TM₀₁₀模式的高頻場在漂移管表面上感應的高頻電流是垂直地反覆通過焊縫的。另一組電子束焊參數用子芯管與另一端蓋的焊接，其值是。電子束流強5毫安，工作電壓130千伏，焊接速度每秒130毫米。因為芯管正處在透鏡的中心區，所以它的焊接應更快。電子束焊引起的局部溫升為30~50°C。由於焊接後有收縮量，因此端蓋及芯管的長度在加工時應留有一定的餘量。漂移管的焊接全部完成後，應進行整體檢漏，並檢驗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與基準線相重，避免它的偏離引起柬流在徑向的相干偏離，可在測出磁中心後，以磁中心軸加工芯管的內圓，然後將準直靶置於芯管內來定位漂移管的位置。

傳統的線性電場漂移管

線性電場漂移管是IMS最基本和最容易理解的漂移管。管內的反應區與漂移區是用一個離子柵門隔開的，離子柵門的作用是將反應區生成的離子分批註入漂移區。每批進入的離子或離子群都要從離子柵門漂移到檢測器，這樣在恆定的電場作用下由於各種離子遷移率係數的不同，所以漂移同樣這么一段距離就會給出不同的漂移時間(或稱飛行時間)。這些基本特點對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、離子柵門的數量，工作溫度和離子的檢測方法方面，漂移管的設計都可能是不同的。

對分析所用漂移管的描述，最早出現在1970年的期刊報導Karasek、Cohen與Karasek所發表的文章中。將一系列金屬環在一定壓力下固定在一起，使環與環之間保留一定的縫隙並用直徑1mm的藍寶石充填，以使金屬環之問相互絕緣。將包括固定裝置的整個漂移管放入一個用金屬製作的真空密閉室中。這種漂移管的一張照片示於右圖。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。相鄰的導電環之間由於填充藍寶石珠而相互絕緣，導電環之間(高達幾毫米)的縫隙比環的寬度大10倍。一個拋光的Niβ-放射電離源插在第一個金屬環內。漂移管中有兩個Bradbury-Nielson型離子柵門。在離子柵門上兩組相距很近、平行排列的共平面的細(金屬)絲之間施加了一個電位差，由於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生了一個大約600V/cm的強電場。這個強電場與橫跨整個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入漂移區。使離子柵門上的兩組金屬絲處於同一電位水平上就是開通了離子柵門允許離子通過。典型的情況是每20ms開離子柵門約0.2ms。這樣，電離源中產生成的離子僅有1%能進入漂移區。一個圓平的收集板(或稱法拉第盤)用來收集離子，檢測離子中和時產生的電流信號。在檢測器(法拉第盤)的前面附近放置有一個加了偏壓的多孔柵，用於降低由於離子群接近時在檢測器上產生的誘導電流。這樣，得到的離子遷移譜就可避免峰形的扭曲和其他假像。在早期的漂移管設計中，在漂移管中接近檢測器的一端還設定有第二個離子柵門。在第一個離子柵門關閉並延遲一定時間後第二個離子柵門才打開。這樣，只有漂移時間等於這個延遲時間的離子能夠通過第二個離子柵門，並在檢測器上產生電流信號。通過掃描延遲時間就可得到一個信號強度對延遲(或漂移)時間的離子遷移譜圖。早期設計的漂移管之一，其反應區和漂移區的長度分別是6cm和8cm。

Beta系列等離子色譜儀(或離子遷移譜儀)中的漂移管

載氣是從漂移管的前端進人反應區的，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入漂移區的，其流速為400mL/min～700mL/min。在設計原理上，兩股相向對流的氣流是從柵極門前面附近的一個出氣口被排出去的。早期研究中，使用的載氣和漂移氣是經分子篩淨化的氮氣或空氣。載氣的作用是將樣品氣體帶進電離源或反應區，並在此進行分子一離子反應。如果進入漂移區的離子仍繼續進行反應，則得到的漂移時間將是從初始形成的離子到最後形成的產物離子之間的混合漂移時間，這將使測得的離子遷移譜圖很難被解析。為避免這種情況發生，要求漂移氣中不能含有任何能與漂移區中的離子進行絡合或反應的中性樣品分子。因此，要強調載氣和漂移氣都必須是純淨的氣體。放置漂移管的金屬室可以加熱到200°C以上，並可用旋轉泵將其抽成中度真空，這有利於提高漂移管的清潔程度和降低其記憶效應。

早期的漂移管存在著一些基本設計上的問題。漂移管上，金屬漂移環之間的縫隙會使樣品分子漏到漂移管外面的金屬室中去，並漫布室內整個空間。進入金屬室的樣品分子很難從其中排出去，並會以某種難以控制的方式重新進入漂移管內的反應區和漂移區。這樣，如果前一次測量時留下的樣品濃度較高和滯留較久時，下次測量時它們仍會參與分子～離子的絡合反應，從而就導致很強的記憶效應及很長的清洗時間，有時也會使測得的漂移時間和離子遷移譜的峰形與樣品的濃度相關。另外，方波積分器(boxcar integrator)的運行速度很慢，獲得一張離子遷移譜圖需要長達數分鐘時間。使用這樣的離子遷移譜儀進行分析測量是很不方便的，特別是需要得到定量測定結果時就更為困難。經過10多年時間發展，漂移管的基本設計已得到了很大改善。在改進的設計中，採用了數位訊號處理技術，並用Macor絕緣環取代了藍寶石使漂移管成為密封結構，如下圖所示，第二個離子柵門也同時被取消。這樣，再採用計算機信號處理和數位訊號平均技術就可使得到一幅離子遷移譜圖所需的時間由過去的幾分鐘變成幾秒鐘。

PCC，Inc公司改進設計的漂移管示意圖

微型漂移管

最初，商業化的離子遷移譜儀約有1.5m高的操作台那么大，而經過15年的發展，現在已可做成很小的手持式儀器。這在很大程度上是由於電子器件小型化技術的進步。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現的小型化。早在細小的陶瓷管被製作出來時(在邦迪克斯，後來的巴爾的摩環境技術公司)，就出現了對漂移管微型化的興趣。Baumbach等提出了一種小型分析器，即離子遷移感測器，但這種小型分析器缺少傳統離子遷移譜儀的解析度。

另一種簡單的微型化漂移管是裝在一個手掌大小的儀器中使用，這種儀器稱為輕型化學檢測器(LCD)。在該儀器中，漂移環是接合在安裝有其他電子元件的電路版上。儘管該漂移管的漂移環是由15mm×50mm的金屬片製成的，但在結構上與傳統漂移管是一樣的。最後一種商業化的微型儀器是前面已述及的利用微製造技術製作的微分遷移譜(DMS)分析儀，它是由Sionex公司生產的，離子的分離區為兩個間隔開0.5mm的矩形板圍成的5mm×13mm的長方形區域。

還有一個是美國橡樹嶺(Oak Ridge)國家實驗室製作的微型漂移管，是由直徑為1.7mm的導電環製成的，漂移管的長度只有35mm。25個導電環用絕緣環隔開並與微型電阻連線。裝好的漂移管放在一個金屬支架中，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脈衝0.1mJ的紫外雷射器。與其他採用雷射電離源時不使用離子柵門的情況一樣，用的都是寬頻脈衝雷射源，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引起人們的關注，而離子柵門也仍將是傳統漂移管的制約因素。

其他類型的漂移管

有兩種非傳統漂移管的設計值得了解，這對漂移管的設計很有意義。其中，Irie等設計的一種漂移管在其漂移區中並沒有漂移環。離子能夠從離子柵門漂移到檢測器，是因為在二者之間1cm~4cm的間距內施加了5kV的電壓，但沒有漂移環。所測離子峰寬約45μs，漂移時間約700μs，漂移時間(t_d)與峰寬比約為15。雖然比值不高，但這種簡單的漂移管設計表明，不用漂移環也可以對離子的遷移率進行測定。

另一種少見的環結構的漂移管是1970年Stevenson等設計的，他們在環上還使用了網柵。施加在這些網柵上的不同電壓是一些三角形的波，這就在整個漂移區構成了一些向前和向後方向不同的電場區域。這裡，網柵之間的間距為1cm，兩個頻率為150Hz~10kHz、0～1000V的鋸齒波被施加在不同的環(網柵)上。測得的離子遷移率常數與鋸齒波電壓的變化頻率是相關的，因此可以控制特定的某種離子通過漂移區。這種沒有離子柵門的漂移管是一種線性離子過濾器，用其測得的離子漂移時間與半峰寬之比為10。儘管這與分析用的漂移管所得的結果相比是比較低的，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遷移譜儀使用。