用于高场非对称波形离子迁移谱系统的阵列式微法拉第筒离子检测器

　　1　引　言

　　高场非对称波形离子迁移谱系统(High-fieldAsymmetric Waveform Ion Mobility Spectrome-try,FAIMS)具有便携、快速、低功耗、低成本、高灵敏度等优点,已在物质检测领域受到越来越广泛的重视。其基本原理是:通过离子在射频高压电场下迁移率的不同,对物质的种类和浓度进行检测[1-2]。高灵敏度的FAIMS系统对离子检测器的要求很高,目前其面临的问题主要有:(1)强电磁干扰。为了实现高灵敏度的检测,必须抑制FAIMS迁移区的射频高压电场、人体静电及其它环境噪声。(2)检测环境为大气。这限制了电子倍增器等离子检测器件的应用[3]。(3)离子信号微弱。为了检测10-9级浓度的气体,典型的FAIMS系统产生的信号强度在pA量级。

　　法拉第筒具有结构简单、易于微型化、量程大、稳定性高、可以在真空和大气压环境下工作等优点,已广泛应用于高能带电粒子束流强度检测[4]、太阳离子风检测[5]、带电微粒检测[6-7]等领域,并成为FAIMS[1-2]、离子迁移谱(Ion MobilitySpectrometry,IMS)[8]、微型质谱仪[9]等分析仪器的首选。典型的法拉第筒结构主要包括抑制栅极、屏蔽壳和敏感极[11],有静态与动态两种工作模式。动态模式中,带电粒子与法拉第筒不接触,通过感生电流来检测带电粒子的束流强度[10]。静态模式中,带电粒子与法拉第筒敏感极碰撞,通过电荷的转移来检测带电粒子束流的强度。本文的研究是针对静态模式法拉第筒而言的。

　　传统法拉第筒的研究主要包括:减少二次电子的发射,提高二次电子的捕获能力,以及提高法拉第筒检测器的功率等[12-14]。另外,国外一些研究小组正在致力于将法拉第筒阵列用MEMS工艺微型化,以提高带电粒子束流的位置检测分辨率[13-15]。由于应用领域不同,传统法拉第筒检测的带电粒子束流强度大(甚至达到1 A以上)、能量高(达1 MeV甚至1 GeV)、需要工作在真空条件下。这些特点使得传统的法拉第筒在抗电磁干扰能力、使用环境、结构等方面不符合FAIMS系统的要求。

　　随着IMS、微型质谱仪等分析仪器的出现,法拉第筒也开始向检测能量低、结构微型化的方向发展,但由于这些设备中离子牵引是依靠电场进行的,且都无射频高压电场的影响,另外微型质谱仪还需要真空环境,所以这些法拉第筒在气路设计、抗电磁干扰方面并不能满足FAIMS系统的要求。美国的新墨西哥州立大学设计了一种用于FAIMS的法拉第筒,采用简单的平板结构,由于无法实现良好屏蔽,受外界环境噪声的影响较大[16],另外平板式的设计必须附加驱动电极,以使离子向敏感极偏转,这增加了系统的复杂性。

　　本文提出了一种新的应用于平板型FAIMS系统的阵列式微法拉第筒离子检测器,介绍了其结构和加工工艺,并进行了仿真和实验。结果表明,该法拉第筒离子检测器可以满足FAIMS系统的要求。