弯曲型离子迁移管的初步研究

The miniaturization of ion mobility spectrometry (IMS) is becoming more and more important, of which the most crucial technology is the miniaturization of the drift tube. However, currently all the miniature IMS just simply scale down the size with the normal structure, including the straight drift tube. This causes the drift length to be inevitably shortened and the resolution is decreased. Although shortening the open time of the ion gate can help to increase the resolution, the side effect is that the total amount of ions entering the tube is also reduced and the sensitivity is decreased. We proposed a new structure with curved drift tube instead of normal straight one. The design is based on the fact that the drift speed of ions under atmosphere is proportional to the electric field intensity (amplitude and direction) in the drift tube, so the ions will drift along curved electric field lines, making it possible to implement long drift distance in a small area. Preliminary simulation results by SIMION proved the feasibility of this design. Further more, in this design, ions with different turning radius in the curved section will experience different drift length, causing the spectral line width to be expanded. An "S" type curved tube can be used to compensate the length difference. This work will make a research and optimization of the curved drift tube of theoretical model, numerical simulation and experimental test. By this work, we hope to find out a new and better structure design for miniature IMS.

微小型化是离子迁移谱（IMS）发展的必然趋势，其中迁移管的微型化是重点和热点。现有的线性IMS微小型化方案均简单地将原有结构等比例缩小，导致迁移管长度不可避免地缩短，分辨率降低。虽然缩短离子门开启时间可以提高分辨率，但副作用是离子通量减少，灵敏度降低。针对这一问题，我们提出将传统的直线型迁移管改为弯曲型迁移管，其基本原理是由于离子在大气压下的宏观迁移速度正比于管腔内的电场强度（大小和方向），因而迁移轨迹会顺着弯曲管腔中的电场线前进，以达到在较小空间内获得较长迁移距离的目的。利用SIMION进行的初步仿真证实了该方案是可行的。采用弯曲型迁移管后，在弯道处不同转弯半径离子的迁移距离不同，会造成谱线展宽，考虑采用具有两个反向弯道的S形结构来补偿这一差异。本项目将在理论建模、数值仿真和实验测试等方面对弯曲型迁移管的特性进行系统研究和优化设计，有望为线性IMS的微小型化探索出一套新的可行的解决方案。

微小型化是离子迁移谱（IMS）发展的必然趋势，其中迁移管的微型化是重点和热点。如何在较小的空间内保持足够的迁移距离是现存的难点之一。针对这一问题，本项目研究了一种新型的弯曲型迁移管。项目通过仿真分析了直管和弯管管腔内电场的均匀性随迁移管结构参数变化的规律，指出电场不均匀度随径向深度呈指数规律下降，下降速度决定于迁移环的中心距。据此，优化得到了一组直管和弯管的结构参数，通过多物理场耦合仿真研究了离子在弯管中的迁移特性。针对离子在单个弯道中存在迁移距离差异的问题，提出了S型弯道结构补偿这一差异，通过仿真证实了该方法的有效性。设计了一种基于PCB板的迁移管装配结构，通过将迁移环焊接在PCB底板上，可一次性完成机械和电路的装配，大大简化装配工艺。基于该结构制作了0度（直管）、90度、180度和S形四种弯曲型迁移管。在此基础上，搭建了IMS实验平台，分别测试了各种迁移管的性能，包括不同气流量对离子传输效率的影响，开门时间、电场强度等对谱线高度和分辨率的影响。实验证实了S形迁移管相比于单弯管可有效提高谱图的分辨率，与理论分析结果相符。同时弯管还可避免紫外光对法拉第盘直射造成的光电效应，减少漂移区的二次电离。此外，项目还围绕BN离子门开展了一系列研究工作，研究了离子门在开门、过渡和关门状态下透过率和占空比、轴/径向场强之间的关系，并据此提出了离子门的线性工作模式。分析了传统“顺序绕制法”制作BN离子门存在的丝线松弛的固有缺陷，提出了“模板转印法”和“渐减张力法”两种方法解决上述缺陷，制作出了高质量的BN离子门。本项目的研究工作证实了利用弯曲型迁移管实现离子传输和分离的可行性，具备应用前景。在关键单元模块、迁移管装配、实验平台建设、性能优化等方面积累了大量经验，取得了包括论文、专利在内的多项研究成果，培养了多名研究生，在行业内的国际会议上介绍了相关研究成果，为后续围绕离子迁移谱开展相关研究奠定了良好的基础。