CN106324078A - 一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，包括迁移管、改进型哈达玛多路复用反离子门控模块和数据处理单元，其中，迁移管包括离子源区、帘气区、反应区、迁移区、探测区、离子门，所述帘气区用于阻隔样品进入电离源区，所述反应区与所述迁移区之间设置有离子门，所述改进型哈达玛多路复用反离子门控模块由线性反馈移位寄存器组、二次多路复用编码器、反向升压离子门控模块组成，首先由线性反馈移位寄存器组生成伪随机门控数字序列，由二次多路复用编码器将初始伪随机序列改造成一组隔离的准伪随机序列码，利用反向升压离子门控模块将该数字序列转换成反向脉冲并完成升压处理，最后将升压后的反向门控脉冲信号接入所述离子门两端，实现离子门的多路反向开关控制。本发明能有效改善现有反离子迁移谱的信噪比检测性能。

Description

一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置
技术领域
本发明涉及一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置。
背景技术
近年来，无论是国外还是国内，各种暴恐活动日益猖獗，离子迁移谱作为一种快速的痕量***物、化学毒剂检测设备，越来越受到人们的广泛关注，其技术也得到了迅猛发展。
离子迁移谱与其他防暴反恐探测仪器相比，具有设备简单、检测限低、检测速度快等优势，因而特别适合对毒气、***等化合物进行快速检测。离子迁移谱基本原理是利用不同离子在均匀弱电场下具有不同的迁移速度来区分待测物质。离子迁移谱检测装置最初出现于20世纪60年代，当时主要应用在痕量化学战剂等军事领域。目前，随着各种***性***等恐怖活动的日益猖獗，在机场、火车站、地铁站、海关口岸等场所的安检部门中也大量配备了离子迁移谱仪，以辅助安检人员完成人和物的快速检测。
电晕放电离子迁移谱仪的工作机理：首先在电离源区，由高压放电针对空气或氮气等放电生成反应物离子或电子，随后反应物离子在轴向电场的牵引下进入反应区；在反应区，反应物离子(也称为母体离子)与通入的样品气体分子发生一系列的离子-分子反应，最终将样品分子转化成产物离子；产物离子或反应物离子在均匀电场作用下继续沿轴向运动，反应区和迁移区是通过离子门相隔的，而离子门在离子门控时序控制下被周期性的打开和关闭，当离子门打开瞬间，堆积在离子门上的产物离子或反应物离子迅速进入到迁移区，迁移区具有均匀稳定的弱电场，它对产物离子或反应物离子给予轴向的迁移电场作用力，使其进行横向漂移，在漂移时与迎面而来的中性迁移气体分子发生碰撞，由于不同的产物离子具有不同的电荷、质量以及碰撞横截面，因此不同离子在迁移电场和碰撞力的作用下会形成不同的迁移速率，这就导致不同的产物离子以不同的时间到达探测器，最终将不同的产物离子进行有效分离。
对于离子迁移谱来说，信噪比和分辨率一直是衡量其检测性能的重要技术指标。为了提高离子迁移谱的分辨率，伊朗人提出了一种反离子迁移谱技术，该技术在没有大规模改***件结构的基础上，有效改善了离子迁移谱的分辨率，将常规方法的分辨率提升了约60％。然而，该技术仍存在一定缺陷，即检测信噪比低，这一缺陷导致反离子迁移谱的综合检测性能下降，难以被广泛推广。
因此，在保障反离子迁移谱高分辨率的同时，如何能提高其信噪比是目前亟待解决的问题，这对反离子迁移谱的进一步推广大有裨益。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有反离子迁移谱信噪比差的不足，提供一种哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，利用多路复用技术有效解决常规反离子迁移谱信号利用率低占信噪比差的问题，有效改善了反离子迁移谱的检测性能。
本发明技术解决方案：一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，它包括：迁移管、哈达玛多路复用反离子门控模块、数据处理单元三大块构成。迁移管主要包括电离区、帘气区、反应区、离子门、迁移区和电荷探测区构成。所述电离区采用负电晕针对板式放电模式生成反应物离子，所述帘气区中通入的帘气能阻隔样品气体进入所述电离区，所述反应区设置有气体进样口和出气口，所述离子门与离子门控单元连接，所述迁移区由一系列金属环和聚四氟乙烯环交替放置而成，通过均匀电阻将各个金属环串接形成均匀迁移电场；所述电荷探测区通过法拉第板探测到离子电荷信号，并将信号接入检流放大器。所述哈达玛多路复用反离子门控模块主要由四个模块构成，包括伪随机序列发生器、隔离的哈达玛编码器、反向编码器和电平转换模块几部分构成。首先由n位移位寄存器生成2n-1位伪随机序列，再利用二次编码器将该伪随机序列改造成一个准伪随机序列，利用一个反向电平转换模块将该准伪随机序列转换成反向离子门控输出信号并与离子门两端连接；所述数据处理单元主要实现将采集到的多路叠加谱数据进行逆变换处理，得到还原的反向离子迁移谱信号。
在本发明的一个实施例中，所述电离区采用负电晕放电模式，利用负高压模块输出高压给放电针实现针对板式放电，离化源是由一个负高压模块输出-6000V到-14000V的高压，通过放电针对空气或氮气放电得到反应物离子或电子。
在本发明的一个实施例中，所述反应区与迁移区之间设置有BN型离子门，离子门与哈达玛多路复用反离子门控单元相连。
本发明的一个实施例中，迁移区由一组等阻值电阻均匀串接组成，为离子运动提供一个均匀的弱电场。
在本发明的一个实施例中，所述改进的哈达玛反离子门控单元由伪随机序列发生器、改进型哈达玛编码器和反离子门控模块构成。所述伪随机序列发生器由FPGA软件来构造，利用FPGA的Verilog首先构造一组线性反馈移位寄存器，并进而输出相应的伪随机序列；所述改进型哈达玛编码器对伪随机序列进行二次编码得到一组准伪随机序列；所述反离子门控模块将准伪随即数字序列(TTL低电平信号)转换成反向门控脉冲脉冲信号(0～200V的高电平信号)。
在本发明的一个实施例中，所述迁移区均匀迁移电场由分压方式得到，迁移电场场强为200～400V/cm左右。
在本发明的一个实施例中，所述电荷探测区由金属屏蔽网和电荷探测板构成。
进一步，所述数据处理单元利用基于VC的逆变换处理软件将采集到的多路叠加谱数据进行逆变换处理，得到解复用谱信号。
进一步，所述数据处理单元利用USB接口与PC机相连，由上位机完成采集卡的初始化操作和数据实时读取和界面显示。
在本发明的一个实施例中，所述哈达玛反离子迁移谱工作在常温、常压环境，不用设置温度或湿度调节装置。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置是首次将改进的哈达玛多路复用方法应用到反离子迁移谱技术中，该方法并不是简单的将哈达玛方法与反离子迁移谱技术相结合，而是利用改进的多路复用编码方法与反离子迁移谱技术相结合，既保障了反离子迁移谱的高分辨率特性，又能有效改善反离子迁移谱的信噪比，提供了反离子迁移谱的综合检测性能，该发明为反离子迁移谱技术的进一步推广提供了一种有效的解决方案。本发明一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置得到的检测信噪比是常规的反离子迁移谱的5—7倍，另外本发明还可用于其它类似的脉冲分离技术中。
附图说明
图1为本发明一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置结构
图2为本发明中的改进型哈达玛多路复用反离子门控单元控制时序图
图3为本发明与其它几种迁移谱对单物质(CCl4)的检测结果对比图
图4为本发明与其它几种迁移谱对多产物离子(CHCl3)的检测结果对比图
其中，1-电离源区，2-帘气区，3-反应区，4-迁移区，5-探测区，6-电晕放电针，7-电离区出气口，8-帘气进气口，9-反应区出气口，10-载气进气口，11-离子门，12-改进型哈达玛多路复用反离子门控单元，13-均匀迁移电场,14-金属屏蔽网,15-电荷探测器,16-信号放大器,17-数据处理单元,18-迁移区进气口。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述。
如图1所示，一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，它包括电离源区1、帘气区2、反应区3、迁移区4、电荷探测区5、离子门11、哈达玛多路复用反离子门控单元12和数据处理部分17组成。所述电离源区采用负电晕放电模式，利用负高压模块输出高压 给电晕放电针6完成针对板式放电，生成反应物离子；所述帘气区利用吹入的帘气8阻止样品气体进入电离源区1；所述反应区设置有样品进气口10和出气口9；所述离子门11与哈达玛多路复用反离子门控单元12相连；所述迁移区4由一系列不锈钢金属环与聚四氟乙烯环交替放置而成，通过均匀电阻串接各个金属环进而形成均匀迁移电场13，在迁移区末端有迁移区进气口18；所述电荷探测区5通过法拉第板15将探测到的离子电流信号转换成电压信号，经信号放大器16放大后接入数据处理单元17。
哈达玛多路复用反离子门控模块是本发明的主要创新之处。早在2010年，为了提高离子迁移谱的分辨率，国外学者提出了反离子迁移谱技术，该技术在没有大规模改***件结构的前提下，成功的将离子迁移谱的分辨率提高了约60％左右，然而，该方法仍存在部分缺陷，其中比较典型的问题就是信噪比低，相对于传统的离子迁移谱的信噪比有所下降；事实上，为了提高离子迁移谱的信噪比，早在2006人们就提出将哈达玛多路复用技术应用到离子迁移谱中，与傅里叶变换方法相比，哈达玛多路复用技术具有结构简单、解码速度快的特点，因而非常适合用来提高离子迁移谱的检测性能。因此，为了弥补反离子迁移谱的信噪比低的缺陷，本发明提出将哈达玛多路复用技术应用到反离子迁移谱技术中，构建了一种哈达玛多路复用反离子迁移谱装置。
本发明的关键部件是改进的哈达玛多路复用反离子门控单元，其构造时序如图2所示。所述哈达玛多路复用反离子门控模块12由线性反馈移位寄存器19，生成初始伪随机序列组,再由二次多路复用编码模块20将初始伪随机序列转换成一组准伪随机序列,最后经反向升压模块21输出多路复用反向离子门控脉冲信号(当数字序列“1”对应输出关门电压80～200V，序列“0”对应输出开门电压0V,即离子门打开)，这与常规的离子迁移谱正向脉冲模式不同。本发明中离子门脉宽为200μs。最后，将哈达玛反离子门控脉冲信号接到离子门11两端实现离子门的高速开关控制。
本发明实施例中选用的伪随机序列码为8位最长线性反馈移位寄存器生成的255阶序列，每组伪随机序列中，1的个数比0的个数多一个；为了得到更好的信噪比，同时保持较高的分辨率，本发明并非直接将该伪随机序列作为最终的反离子门控输入信号，而是对该序列进行了改进，即采用在伪随机序列后***隔离码元的方式得到一组准伪随机序列，最后再将该序列作用到反离子门控装置上，实现离子门的多路复用控制。
图3所示为采用不同方法对CCl4的检测结果对比：检测方法有常规反离子迁移谱、哈达玛反离子迁移谱和改进的哈达玛反离子迁移谱，其检测结果分别对应于图3-a～c。可见，直接将哈达玛方法作用到反离子迁移谱上能将信噪比提高约4倍，但分辨率下降了约50％；当利用改进的哈达玛方法得到的改进的哈达玛反离子迁移谱，其信噪比比常规反离子迁移谱方 法提高了约5倍，分辨率约为常规反离子迁移谱的92.5％。
图4所示为采用不同方法对CHCl3的检测结果进行对比：检测方法有反离子迁移谱、哈达玛反离子迁移谱和改进的哈达玛反离子迁移谱，其检测结果分别对应于图4-a～c。可见直接将哈达玛方法作用到反离子迁移谱上能将信噪比提高约6倍，但分辨率下降了约40％；当利用改进的哈达玛方法得到的改进的哈达玛反离子迁移谱，其信噪比比常规反离子迁移谱方法提高了约7倍，得到的分辨率约为常规反离子迁移谱的93％,相对大幅提升信噪比性能来说，分辨率的下降是可以忽略的。
实验结果表明，无论是对单产物离子的检测还是对多产物离子的检测，利用本发明方法能有效改善反离子迁移谱的综合检测性能。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，它包括电离源区1、帘气区2、反应区3、迁移区4、电荷探测区5、离子门11、哈达玛多路复用反离子门控单元12和数据处理部分17组成。所述电离源区采用负电晕放电模式，利用负高压模块输出高压给电晕放电针6完成针对板式放电，生成反应物离子；所述帘气区利用吹入的帘气8阻止样品气体进入电离区；所述反应区设置有样品进气口10和出气口9；所述离子门11与哈达玛多路复用反离子门控单元12相连；所述迁移区4由一系列的不锈钢金属环与聚四氟乙烯环交替放置而成，通过均匀电阻串接各个金属环进而形成均匀迁移电场13，在迁移区末端有迁移区进气口18；所述电荷探测区5通过法拉第板15将探测到的离子电流信号转换成电压信号，经信号放大器16放大后接入数据处理单元17。
2.根据权利要求1所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于：所述迁移区(4)由一系列金属环和聚四氟乙烯环交错放置而成，通过均匀电阻将各个金属环串接形成均匀的迁移电场(13)。
3.根据权利要求1所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于：所述电离源区(1)利用负高压模块给放电针施加负高压，并采用针对板式放电模式。
4.根据权利要求1所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于：所述电离源区(1)与所述反应区(3)被所述帘气区(2)阻隔，所述帘气区用于隔绝样品分子进入电离区。
5.根据权利要求1所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于：所述离子门(11)的离子门的门宽时间范围为100～250μs，迁移电场场强为200～400V/cm。
6.根据权利要求1所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于，所述电荷探测区(5)包括一多孔金属屏蔽网(14)和法拉第板(15)，通过法拉第板(15)探测电荷信号，并经信号放大器(16)最终接入数据处理单元(17)。
7.根据权利要求6所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于：所述数据处理单元(17)是由高速USB数据采集卡来实现，由其将实时探测到的信号进行A/D高速转换和自动存储，采样频率为20k～50khz，数据采集采用连续采集模式，分通道接收传感器采集的数据，无需外接A/D芯片。
8.根据权利要求6所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在于：所述数据处理单元(17)的采集起止动作受控于周期性的脉冲同步信号，该同步信号的周期与一组哈达玛反离子门控序列周期大小一致，且都受控于FPGA离子门控软件控制。
9.根据权利要求1所述的一种改进的哈达玛多路复用反离子迁移谱实验装置，其特征在 于：所述哈达玛多路复用反离子门控模块(12)由线性反馈移位寄存器(19)，生成初始伪随机序列组,再由二次多路复用编码器(20)将初始伪随机序列转换成一组准伪随机序列,最后经反向升压模块(21)输出多路复用反向离子门控脉冲信号与离子门(11)两端相连，实现离子门的高速反向多路复用控制。
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