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CN106688076A - 用于生成组成受控和强度受控离子流的设备和相关方法 - Google Patents

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CN106688076A CN201580047813.9A CN201580047813A CN106688076A CN 106688076 A CN106688076 A CN 106688076A CN 201580047813 A CN201580047813 A CN 201580047813A CN 106688076 A CN106688076 A CN 106688076A
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Abstract

描述了一种用于生成受控离子流I的设备1。设备1是便携式的，并且包括电离室6、至少一个入口构件2和至少一个离子出口构件3。电离室6适于保持在真空压力下，并且被配置为电离其中包含的气体颗粒。至少一个入口构件2被配置为抑制或允许和/或调节气体颗粒的气流Fi在电离室中的入口。另外，至少一个入口构件2包括气流调节接口22，气流调节接口具有多个亚微米尺寸纳米孔20，适于以受控方式被打开或关闭，以抑制或允许相应的多个气体微流通过至少一个入口构件2。至少一个离子出口构件3被配置为抑制或允许和/或调节输出气流Fo和所生成的离子的离开电离室6的离子流I。至少一个出口构件3包括孔口30，适于以受控方式被打开或关闭，以便控制输出气流Fo的输出传导性。

Description

用于生成组成受控和强度受控离子流的设备和相关方法
技术领域
本发明涉及用于生成受控离子流，且具体而言是生成受控组成、强度和调制的离子流的设备和方法的领域。
背景技术
已知用于生成离子流(也称为“离子流”)的离子源设备和/或系统，其提供在真空压力下的环境中的气体分子的电离(例如，通过由包括在系统中的源生成的电子)和电离分子的提取，其轨迹被控制以形成发射的离子束。
但是，在这种已知的离子源中，发射的离子束通常未被精确控制，因为就不同气体物质的离子浓度而言，既不能精确地控制光束的强度也不能精确地控制其组成。此外，这些离子源不能有效地调制所生成的离子束。
另一方面，在许多应用中，例如，在气体组成的分析领域中和/或在通过排出气体的分析的工业处理控制领域中，需要这样的离子流生成设备，其能够以高精度生成强度和组成受控的离子流，同时具有容易定位和安装的尺寸(因此，需要便携式设备)，并且具有与在潜在领域应用的合理使用相兼容的成本。
上述已知系统不能满足这样的需要。
在已知的系统中，例如，可通过控制电离电子的发射强度来控制强度。但是，对可获得的发射离子束的强度的控制不是最佳的，因为这样的强度还取决于电离区中的压力。
事实上，利用已知的离子束源，离子束的调制(例如通过频率高达几十KHz的开/关周期)是不可能的。理论上，可以通过重复地接通和关断源来实现，但是这种解决方案实际上对于期望的频率和合理的可靠性水平是不切实际的。
关于所生成的离子束的组成的控制，情况甚至更复杂。为了实现对组成的这样的控制，理论上可以通过控制存在于电离区中的气体组成来控制输出离子束的组成。但是，这将需要构建整个系统，其包括至少在电离区中的气流的注入器，测量和校准气体组成的复杂装置，以及泵，用于从电离区提取气体以便将其保持在真空压力，并且当存在输入气流时，满足电离区中的必要要求。
这样的用于生成离子流的系统将明显地与期望的便携式设备非常不同，并且将是如此复杂，庞大和昂贵，从而对于潜在应用的大部分而言实际上是不可接受的。
此外，甚至这样的系统也不能确保输出离子流的组成中的足够的精确度，因为不能保证对于存在于电离区中的不同气体物质以精确统一的方式进行朝向外部的泵送。
因此，现有技术不能满足具有用于生成在强度、调制和组成上精确受控的离子流，并且同时是便携式、通用性、易于安装、可靠且相对便宜的设备的需要。
鉴于上述，本发明的目的是设计和提供用于生成受控离子流的设备和相关的离子流生成方法，其被改进以满足上述需要，并且能够至少部分地克服以上参考已知技术描述的缺点。
发明内容
该目的通过根据权利要求1所述的设备来实现。
在从属权利要求2至15中限定了该设备的其他实施例。
通过使用本发明的设备进行的生成离子流的方法在权利要求16中限定。
通过使用本发明的设备进行的生成离子流的进一步方法在权利要求17和18中限定。
附图说明
用于生成受控离子流的设备以及使用这样的设备的方法的进一步的特征和优点将参考附图从以下作为非限制性实例提供的优选实施例的描述中得出，其中：
-图1至3是与根据本发明的设备的相应实施例相关的简化功能图；
-图4和5示出了包括在设备的实施例中的气流调节接口的细节，其中，这种调节接口的纳米孔分别被打开和关闭；
-图6是根据实施例的设备的一部分的透视图；
-图7和8分别是根据实施例的设备的另一部分的俯视图和透视图；
-图9示出了包括图7和图8中所示部分的设备的透视图；
-图10示出了图9的设备的局部分解截面图；
-图11示出了根据进一步的实施例的设备的分解图。
具体实施方式
参考图1至11，具体地，参考图1的功能图，描述了用于生成受控离子流I的设备1。
设备1是便携式的，并且包括电离室6、至少一个入口构件2和至少一个离子出口构件3。
电离室6适于保持在真空压力下，并且被配置为电离包含在其中的气体颗粒(即，气体分子，或更一般地，挥发性物质)。
至少一个入口构件2被配置为抑制或允许和/或调节所述气体颗粒的气流Fi在电离室中的入口。此外，至少一个入口构件2包括气流调节接口22，气流调节接口22具有多个亚微米(即，亚微米)尺寸的纳米孔20，其适于以受控的方式被打开或关闭，以抑制或允许相应的多个气体微流通过至少一个入口构件2。
至少一个离子出口构件3被配置为抑制或允许和/或调节输出气流Fo和所生成的离子的离开电离室6的离子流I。至少一个出口构件3包括孔口30，适于以受控方式被打开或关闭的，以便控制输出气流Fo的输出传导性。
根据实施例，设备1还包括控制装置4。
控制装置包括入口致动装置25，被配置为以受控方式致动至少一个入口构件2；和出口致动装置35，被配置为以受控方式致动至少一个出口构件3。
入口致动装置25和出口致动装置35可分别布置在入口构件2和出口构件3中。
控制装置4还包括电子处理装置40，被配置为控制入口致动装置25，以便选择性地打开或关闭所述多个纳米孔20，并被配置为控制出口致动装置35，以便可控地关闭或打开孔口30。
根据该设备的实施例，每个纳米孔20被配置为，当打开时，甚至在大气压力或更高的条件下也允许在分子或主要分子状态下的气体微流通过，以及在关闭时抑制所述气体微流，使得通过至少一个入口构件2的总气流是通过打开的纳米孔的在分子或主要分子状态下的微流的总和。
根据通常使用的命名法，术语“在分子状态下的流”是指这样的气流，在该气流中，气体颗粒的(即，气体分子的)平均自由路径λ的尺寸可比得上或大于其所在的通道或容器的尺寸D，由此每个颗粒的路径几乎是自由的并且相对于其他颗粒是独立的。
关于流的分类，通常接受的定义与将“在分子状态下的流”定义为其中参数D/λ可比得上或小于1的流一致。
此外，“在主要分子状态下的流”被定义为其中参数D/λ为几个单位的数量级的流(例如，通常﹤10)：事实上，在这样的条件下，虽然严格地说，颗粒之间的碰撞没有降低到零，但大多数颗粒在大多数时间处于分子状态条件下。
例如，由A.Roth，NHPC于1976年出版的书“Vacuum Technology(真空技术)”的第2章和第3章可被认为是关于该主题的权威理论参考。
显然，平均自由路径λ也取决于压力和温度的条件；具体而言，其与以开尔文测量的温度成正比，并且与压力成反比(见上面提到的参考文本“Vacuum Technology”中公式2.56)。假设阀系统的有效使用条件是在环境温度条件(例如，在273°K和313°K之间的范围内)，或者在不同的温度下，只要基本上恒定，则压力结果成为基本参数。
在真空压力(例如，低于1mbar)和甚至更高的真空(例如，低于10-3mbar)的条件下，甚至可以通过毫米或更大尺寸的通道获得主要分子状态下的流。
相反，在另一非真空压力条件下，具体而言，是在大气压力或更高的压力条件下，需要将通道的尺寸减小到亚微米值，如由于设备1的调节接口22设置的纳米孔而获得。
调节接口22在图4和图5中示出。
根据实施实例，每个纳米孔20被配置为允许微流在10-8mbar·I·sec-1和10- 6mbar·I·sec-1之间。以这种方式，调节接口22可以以等于这些微流中的一个的精确度和非常精细的粒度来控制气流。当然，其它流值也是可以的，这取决于所制造的纳米孔的尺寸和纳米孔所经受的压力梯度。
流调节接口允许气体仅通过亚微米尺寸的纳米孔的事实使得能够实现允许在分子或主要分子状态下的流的功能。事实上，可以计算出，在覆盖合理使用的所有条件的非常宽的温度范围内，并且对于几乎每种类型的气体，亚微米直径的通道允许甚至在大气压或更高的压力下获得期望的D/λ值(小于10，在任何情况下，优选可比得上1或更低)。
有利地，在亚微米间隔内为设备的具体实施例的纳米孔选择的具体尺寸可考虑在使用条件中指定的压力条件。
每个纳米孔的亚微米尺寸意味着纳米孔的直径(即，基本上垂直于流的平面上的尺寸)为几百纳米或更小的数量级。
根据实施实例，每个纳米孔20的直径在10nm至100nm的范围内，优选在20nm至100nm之间。其它值(例如在50nm和500nm之间)是可能的，这取决于设备的设计规格。
根据实施实例，纳米孔形成在膜21中，膜具有数百纳米(nm)或更低(因此，通常为与直径的数量级相当的数量级)的厚度，并且优选地在50nm和500nm之间。
根据优选的实施例，每个纳米孔20具有限定的几何形状和确定性可测量的传导性，传导性是量化可通过纳米孔的微流的参数。
优选地，纳米孔20的几何形状基本上是圆柱形的。
因此，在上述实施例中，每个纳米孔大约是直径为几十或几百纳米且高度为几百纳米的量级的圆柱体或管。
根据本发明所涵盖的各种实施实例，形成在调节接口22的膜21中的纳米孔20的分布、数量和尺寸可以是最多变的。调节接口22因此可包括任何组合的所有相同尺寸或彼此不同的纳米孔20。
调节接口22的纳米孔20的数量可以以从几十到几百，甚至数千变化。这有利地允许通过打开所有纳米孔而获得显著强度的流(即使由微流形成)。
纳米孔20在调节接口22上的布置可以是最多变的。
根据优选的实施实例，如图4和图5所示，纳米孔20以行和列的二维阵列布置。
根据一个实现选项，调节接口22包括一个或多个流控制窗口，每个窗口包括膜21，通过该膜得到纳米孔20。
每个膜21可以是平面的或非平面的。
在典型的实施实例中，膜21是平面的，基本上为矩形或正方形，其侧面的尺寸为几十微米量级，并且能够包含上百数量级的多个纳米孔。
应当注意的是，具有膜21和具有期望尺寸和几何形状的任何预定布置的纳米孔的调节接口22可通过本身已知的用于制造具有亚微米尺寸的孔的膜的技术获得。
例如，这样的技术在用于生产用于化学-生物应用的膜的纳米技术的背景下是已知的。可用技术的另一个实例涉及使用通过配备有FIB(强制离子束)模块的SEM(扫描电子显微镜)以受控方式穿孔的硅膜。以这种方式，可在硅膜上形成上述类型的纳米孔(在文献中有时也称为“纳米孔口”或“纳米小孔”)，例如在科学论文中所示：Lo，Aref，Bezryadin“Fabrication of symmetric sub-5nm nano-pores using focused ion and electronbeams”(Nanotechnology 17(2006)3264-3267)；和Stein等人的“Ion Beam SculptingTime Scales”(Physical Review Letter，vol.89，no.27，30.12.2002)。
现在参考致动纳米孔的方式，应当注意的是，通过这里示出的设备1的结构，使得各种策略成为可能。实际上，控制装置40被配置为通过确定就打开和关闭的纳米孔的数量和位置而言的打开和关闭的纳米孔20的模式和/或通过确定纳米孔20的打开时间和关闭时间的比率或工作周期的比率和其频率来控制通过调节接口22的气流Fi。
在能够提供最大使用灵活性的优选实施实施例中，处理设备40被配置为控制入口致动装置25，使得每个纳米孔20可以以独立的方式相对于其他纳米孔20单独地打开或关闭。
根据也包括在本发明中的替代示例，处理设备40被配置为控制入口致动装置25，以便选择性地打开或关闭一组或多组这样的纳米孔20，纳米孔20例如包括纳米孔阵列中彼此邻近纳米孔的子集。在这种情况下，每个子集的纳米孔可独立于其它子集的纳米孔的打开/关闭而打开或关闭。
根据另一示例，纳米孔20全部打开或全部封闭。
由于上述原因，根据本发明的设备1提供了流控制，其中，可能存在打开或关闭的纳米孔的任何组合、模式和/或布置：例如，纳米孔全部打开(如图4和图6所示)或纳米孔全部关闭(如图5所示)或一些纳米孔打开，而其它纳米孔关闭。此外，打开或关闭的纳米孔的组合、模式和/或布置可以以期望的方式随着时间动态地改变。
在图4至图6所示的实例中，入口致动装置25包括多个小型化的纳米孔打开/关闭构件26，每个微型纳米孔打开/关闭构件26适于打开或关闭相应的纳米孔20，以便分别最小化或最大化纳米孔20的传导性。
在具体的实施实例中，每个微型化纳米孔打开/关闭构件26被配置为气密地密封相应的纳米孔20，将其传导性减小为零或完全打开纳米孔20，从而允许气流过它。“密封”闭合的性质可在设计阶段中相对于其流必须被控制的气体分子的尺寸来限定。
根据可能的实施选项，入口致动装置25被电机致动或电磁致动。
根据图6所示的实施例选项，每个小型化的打开/关闭构件26包括塞子26，可电机致动以通过相对于纳米孔20的轴向运动关闭或打开相应的纳米孔20。
根据另一个实施例选项，每个小型化的关闭/打开构件包括微悬臂梁，其可电磁致动，在振荡端具有适于插入到纳米孔中或从纳米孔中取出的基本上锥形的尖端。
根据又一实施例选项，每个小型化的关闭/打开构件包括圆柱体，其直径基本上等于相应的纳米孔的直径，圆柱体可电磁致动以通过相对于纳米孔的轴向运动而插入相应的纳米孔中或从纳米孔中取出。
上述选项提供了每个纳米孔的单独和独立致动。
对于其中纳米孔的共同致动足够的应用，进一步的实施例选项提供了入口致动装置25包括多个打开/关闭振动平面构件，其被配置为同时打开/关闭调节接口2的所有纳米孔20。
在这种情况下，单个小型化的纳米孔打开/关闭构件可以以与纳米孔的配置对应的配置布置在平面构件的一侧上，使得在平面构件的相应运动时，每个小型化的打开/关闭构件同时插入到相应的纳米孔中或从相应的纳米孔中取出。
根据实施实例，入口致动装置25布置在调节接口22的一侧，并且被配置为打开/关闭对应于该侧的每个纳米孔20的开口。
根据替代的实施实例，这样的入口致动装置25(或其至少部分)布置在调节接口22的两侧，并且被配置为打开/关闭每个纳米孔20的对应于调节接口22的两侧(即由纳米孔形成的管状微通道的两端)的两个开口。在这种情况下，每个小型化纳米孔打开/关闭构件26被配置在关闭的条件下从相应侧进入纳米孔20。
有利地，在每次关闭和随后的打开操作事件时或特定的防堵塞关闭/打开事件时，小型化的打开/关闭构件26也适于(或可配置)用于清洁和清除每个纳米孔20的可能的障碍物(例如，由于可沉积的分子单层)。该性质对于允许在大多数各种环境(包括具有污染物的工业处理的环境)中使用该设备是重要的。
现在，考虑例如在图7和8中示出的至少一个出口构件3。
根据实施实例，至少一个出口构件3进一步被配置为随着时间控制和/或调制输出离子流I的强度。
为此目的，在这样的实施选项中，对于至少一个出口构件3中的每一个，出口致动装置35包括相应的闸门36，被配置为完全关闭或保持完全打开或以受控方式部分地阻挡至少一个出口构件3的孔口30。
具体而言，闸门36的运动可由处理装置40电机地控制，使得闸门36处于打开位置，在该打开位置中，其保持完全打开孔30；或者处于关闭位置，在该关闭位置，其保持孔口30气密地关闭，或者处于多个中间位置，其确定用于孔口30的打开/部分关闭的相应的多个条件。
另外，还可以根据期望的工作周期，例如具有适当的振荡频率，以周期性的打开/关闭周期驱动闸门36。
在图8所示的实例中，闸门36具有钟摆形状。
根据实施选项，出口致动装置35被配置为通过调节孔口30的开口的尺寸来控制输出气流Fo，并且通过孔口30的关闭和打开时间段的持续时间或者孔口30的打开/关闭工作周期来控制出口离子流I的调制。
此外，出口致动装置35还被配置为通过调节孔口30的关闭和打开时间段的持续时间者或孔口30的关闭/打开工作周期来对控制电离室6中的压力作出贡献。
根据实施实例，至少一个出口构件3进一步被配置为测量出口离子流I的强度。为此，闸门36可配备有离子束强度的计量表，或者这样的强度计量表的一部分。
现在参考图7和图8，将示出关于设备1的电离室6的进一步细节。
在实施例中，电离室6包括电离室控制装置65和至少一个电离源61。
电离室6包括电离区域62，电离区域62包含通过至少一个进口构件2被允许进入的气体颗粒，并且被布置为例如通过由电离源61产生的电离电子来交叉，因此电离电子使气体颗粒(即，气体分子)电离，从而产生相应的离子(即，电离分子)。
电离室6还包括离子提取装置63，其被配置为确定所生成的离子穿过至少一个离子提取窗口64(离子通过该窗口离开电离区域62)的优选轨迹，并且随后引导离子朝向至少一个出口构件3。为此目的，离子提取装置63包括在时间和空间上受控的电场和/或磁场的生成器。
电离源61可以是本身已知的电子发射源，诸如例如EI(电子电离)源，具体而言是场效应“冷”发射源，诸如纳米管源或等离子体源，或通过激光电离。
根据图7所示的实施实例，离子提取装置63包括本身已知的至少一个提取器和/或离子引导件630，用于从电离区域62提取离子；并且进一步包括至少一个静电透镜631，其被配置为限定离子从离子提取窗口64到至少一个出口构件3的孔口30的路径，并且生成作为输出流的校准离子束I。
根据实施实例，电离室6进一步包括磁场生成器，被配置为生成受控磁场，以便改进对电离电子的轨迹的控制。
现在考虑如上所述的具有电离室6以及入口和出口构件2和3的整个设备，应当注意的是，如前所述，控制装置4可被配置为实现设备的功能目的。
具体而言，控制装置4被配置为调节输入气流Fi和输出气流F o，以便将在电离室6内的期望压力值保持在足够低的水平，以确保甚至输出气流Fo在分子或主要分子状态下存在。
因此，这导致在电离室6内部的部分气体浓度(partial gas concentration)再现存在于至少一个入口构件2暴露于其中的外部环境中的部分气体浓度，并且因此，在输出离子流I中的部分离子浓度确定性地代表这样的部分气体浓度。具体而言，在不同气体颗粒的电离横截面相等或非常相似的情况下，部分离子浓度精确地再现部分气体浓度。如果电离横截面不同，则它们仍然以高精度的确定性是已知的，由此部分离子浓度也可以以确定性和精确的方式与部分气体浓度相关。
有利地，设备1可被配置为在具有大气压或更高压力的环境中操作，并且将包括的电离室6内的压力保持在例如10-2mbar和10-6mbar之间。
上述电离室6的内部压力是真空或高真空压力。这允许气体颗粒的电离，并且同时确保从真空压力下的环境中离开的输出气流Fo处于分子或主要分子的状态。
另一方面，如已经指出的，调节接口甚至在被连接到大气压或更高压力的环境时仍允许在分子或主要分子状态下的输入流Fi。
气体物质的在分子或主要分子状态下的微流的强度与气体物质的质量的平方根成反比，但是这样的不平衡以相同的方式在输入和输出中发生，导致精确的补偿。
由于这个事实，可以实现上述的生成离子流I的功能，该离子流I的部分离子浓度等于设备所在的外部环境中存在的部分气体浓度。
如果设备配备有多个入口构件，这些入口构件与已知气体浓度的相应的不同的环境连接，则可以获得进一步有利的功能。
这通过图2所示的设备的进一步实施例实现，其中，设备1包括多个入口构件2，每个入口构件暴露于具有相应的部分气体浓度的相应的外部环境A1-Ai中。控制装置4被配置为调节来自入口构件2的输入气流Fi和输出气流Fo，以便将电离室6内的期望压力值保持在足够低的水平，以确保甚至输出气流Fo在分子或主要分子状态出现(甚至输出孔口具有尺寸为毫米或几十毫米的量级)。这因此导致在电离室6内的部分气体浓度取决于存在于所述外部环境A1-Ai中的部分气体浓度的可控加权和；并且输出离子流I中的部分离子浓度确定地表示存在于电离室6内的可控气体浓度。
同样在这种情况下，设备1可被配置为在具有大气压或更高压力的环境中操作，并且保持所包含的电离室6内的压力在10-2mbar和10-6mbar(真空压力)之间。
根据实施选项，控制装置4还被配置为控制输出离子流I的强度和/或时间调制，使得输出离子流I在浓度、强度和调制方面是可控的。
根据具体实施实例，控制装置4被配置为通过作用于电离室中的压力和/或通过电离源61生成电子来控制输出离子流I的强度。
根据图3中所示的设备1的进一步的实施例，设备1包括多个出口构件3和相应的孔口30，其中有离子流出口构件3’和一个或多个气流出口构件3”。
控制装置4被配置为通过调节离子流出口构件3’的开口尺寸来调制输出离子流I；并且还通过调节气流出口构件3”的孔口30的打开和/或关闭和打开的时间段的持续时间和/或打开/关闭工作周期来控制输出气流Fo和电离室6内部的压力。
根据实施选项，控制装置4被配置为允许输入气流输入和输出传导性，以便根据输入气流和输出传导性之间的比率保持电离室6中的压力。
根据另一个实施选项，控制装置4进一步被配置为通过适当致动至少一个出口构件3以受控的方式改变电离室6中的压力，以便基于输入流、电离室的体积和输出孔口的有效传导性(从零值开始直到最大值)，增加电离室中的压力，输出孔口的有效传导性进而取决于至少一个出口构件3的打开/关闭致动时间。
现在参考图6至11中所示的设备的进一步的结构和功能方面，应注意以下方面。
电子处理装置40包括处理器44，其可操作地电连接到入口致动装置25和出口致动装置35，以便通过发送电信号来控制它们。
参考入口致动控制装置25，处理器44可操作地电连接到每个纳米孔打开/关闭构件26。
在图6所示的实施实例中，电子处理装置40进一步包括缓冲器(可集成在同一处理器中)、驱动构件41和多路复用器42。缓冲器可操作地连接到处理器40以接收与多个纳米孔相关的打开/关闭控制信号。驱动构件41可操作地连接到缓冲器以顺序地接收所述打开/关闭控制信号，并且被配置为顺序地产生与多个纳米孔相关的对应的打开/关闭驱动信号。多路复用器42可操作地连接到驱动构件41，以依次接收所述打开/关闭驱动信号，并且被配置为将每个打开/关闭驱动信号引导到多个纳米孔的对应的纳米孔20。
上述利用打开/关闭命令的生成速度可显著高于致动的执行速度的事实的实施，有利地允许为设备提供单个驱动构件，其顺序地生成用于单个纳米孔的所有致动构件。
根据进一步的实施例，设备1还包括至少一个第一压力传感器59和至少一个第二压力传感器50。
第一压力传感器59(图7中所示)布置在电离室6内或附近，并且被配置为测量电离室6中存在的压力值。
第二压力传感器50(图6中所示)布置在电离室6的外部，例如在调节接口22的外部，并且被配置为测量存在于电离室外部的环境中的压力值。
第一压力传感器59和第二压力传感器50还被配置为向处理装置40提供相应的测量的压力值。
根据实施例，设备1还包括输入/输出接口51，其可操作地连接到电子处理装置4，并且被配置为向设备外部发送或从设备外部接收控制和/或监控和/或校准和/或诊断信号。
在包括在本发明中的若干实施实例中，电子处理装置4被配置为基于经由输入/输出接口51来自设备外部的控制信号和/或基于由小型化的压力传感器50，59测量的压力值和/或基于输出离子流的测量值来控制通过调节接口22的气流。
可选地，设备1还包括参考压力传感器(图中未示出)，封装在密封和/或可打开的环境中，并且被配置为向处理设备4提供参考信号以用于设备的校准和/或诊断功能。
根据实施示例，设备1还包括电源接口55(在图6中示出)。
根据实施实例，设备1还包括用于电离室的电源68(在图7中示出)。
根据实现选项，设备1还包括第一受控加热设备52，其被配置为在处理装置4的控制下在调节接口22附近保持期望的温度。
根据进一步的实现选项，设备1还包括第二受控加热设备67，其被配置为在处理装置4的控制下在电离室6中保持期望的温度。
根据进一步的实例实施例，设备1还包括微粒过滤装置53(例如，配备有测微框架过滤器)，其被布置成至少覆盖至少一个入口构件2的调节接口22，以防止电离室6的污染和/或纳米孔20的阻塞。
此外，设备1可包括薄保护膜，被配置为减少处理气体的吸附(例如，防止存在于处理环境中的水分的吸附的疏水膜)并防止腐蚀。
应当注意的是，电子处理装置4可被配置为基于从压力传感器50，59接收的数据，和/或离子束I的强度的测量数据和/或与预定要放置设备1的标称预定操作条件或操作环境条件相关的存储数据的处理来执行设备1的诊断程序，以便识别设备的可能的操作异常。
另外，电子处理装置4可被配置为，如果诊断程序给出否定结果，则基于上述诊断程序的结果通过对设备的操作参数进行操作来校正和/或补偿所识别的操作异常，而执行用于设备1的调整和/或补偿和/或优化的程序。
现在参考结构实施的各方面，应当注意的是，在优选实施例中，设备1是集成设备。
根据实施选项，电离室6、至少一个入口构件2和至少一个出口构件3被包括在集成设备1的单个小型化芯片中。
根据图9至图11中所示的另一实施选项，设备1是集成设备，包括第一芯片10，其中实现了至少一个入口构件2；和第二芯片11，其中实现了电离室6和至少一个出口构件3。第一芯片10与第二芯片11重叠，以便仅通过至少一个入口构件2允许气流Fi进入第二芯片。
根据实施例，设备1包括连接器构件58，其被配置为物理地分离上述第一芯片10和第二芯片11而同时允许操作连接。
根据实施选项，设备1包括进一步的连接器构件54，被配置为将电子处理装置40与入口构件2，电离室6和出口构件3物理地分离，同时允许操作连接。
根据实施实例，设备1进一步包括泵送构件，被配置为加速电离区域的排空时间，例如在一个测量值和另一个测量值之间。
下面，将描述本发明中包括的方法。
本发明包括用于生成受控离子流I的方法，包括以下步骤：在电离室6中产生真空条件，电离室6仅通过至少一个入口构件2和至少一个出口构件3与外部连通；然后，以受控的方式抑制或允许输入气流Fi通过至少一个入口构件2的调节接口22，调节接口22包括多个亚微米尺寸的纳米孔20，其中，每个纳米孔适于被打开或关闭，以允许或抑制在分子或主要分子状态下的相应微流通过，使得通过调节接口22的总气流Fi为通过打开的纳米孔的微流的总和。
该方法然后包括以下步骤：以受控的方式抑制或允许输出气流Fo通过至少一个出口构件3的孔口30；然后，调节输入气流Fi和输出气流Fo，以便将在电离室6内的期望压力值保持在足够低的水平，以确保甚至输出气流Fo在分子或主要分子状态下存在，使得电离室6内的部分气体浓度再现存在于至少一个入口构件2所暴露的外部环境中的部分气体浓度。
另外，该方法包括以下步骤：电离电离室6内的气体颗粒，以获得再现部分气体浓度的部分离子浓度；并且最后，以输出离子束的形式提取在电离室6中生成的离子，以获得具有已知的部分离子浓度的离子流I，所述输出离子束具有确定性地代表上述部分气体浓度的部分离子浓度。
在具体实施例中，该方法包括控制离子流I的输出强度的进一步的步骤。
在另一实例实施例中，该方法进一步包括以下步骤：将至少一个入口构件2暴露于待采样的环境中，以及检测强度受控的离子束，该离子束具有代表待采样的环境中的部分气体浓度的部分离子浓度。
本发明还包括用于生成受控离子流I的方法，包括以下步骤：在电离室6中产生真空条件，电离室6仅通过多个入口构件2以及至少一个出口构件3与外部连通，每个入口构件暴露于具有相应的部分气体浓度的相应的外部环境A1-Ai；然后，以受控的方式抑制或允许输入气流Fi通过每个入口构件，每个入口构件具有相应的调节接口22，每个调节接口22包括多个亚微米尺寸的纳米孔20，每个纳米孔20适于被打开或关闭，以抑制或允许在分子或主要分子状态下的相应微流通过，使得通过每个调节接口22的总气流为通过打开的纳米孔的微流的总和。
该方法然后包括以下步骤：以受控的方式抑制或允许输出气流Fo通过至少一个出口构件3的孔口30；然后，调节输入气流Fi和输出气流Fo，以便将在电离室6内的期望压力值保持在足够低的水平，以确保甚至输出气流Fo在分子或主要分子状态下存在，使得电离室1内的部分气体浓度取决于存在于所述外部环境A1-Ai中的部分气体浓度的可控加权和。
该方法还包括以下步骤：电离电离室6内的气体颗粒，以获得确定性地代表存在于电离室6中的上述部分气体浓度的部分离子浓度；并且最后以输出离子束的形式提取在电离室中生成的离子，以获得具有期望的部分离子浓度的离子流I，所述输出离子束具有确定性地代表上述部分气体浓度的部分离子浓度。
在具体实施例中，该方法包括控制离子流I的输出强度和/或调制的进一步的步骤。
在另一实例实施例中，该方法进一步包括以下步骤：将至少一个入口构件2暴露于具有已知气体浓度的环境A1-Ai中，以及检测强度受控的离子束，该离子束具有代表期望的部分气体浓度的部分离子浓度，所述部分离子浓度是完全可控的。
可以看出，本发明的目的通过前述的设备，通过所示的特征来实现。
从上面的描述中，显然，本发明的设备能够以受控的方式生成具有已知和/或期望的强度和组成的离子流。
事实上，由于设备的结构以及控制电离室中的输入和输出流的相关功能，设备能够控制电离室中的气体组成以及作为结果的输出离子束的离子组成。
具体而言，如上所述，该设备允许管理在分子或主要分子状态下的微流进入和离开电离室。这允许通过简单地将设备与其中存在已知或期望浓度的大气压下的环境流体连通并将来自其的气体微流直接注入到真空压力电离室中来控制电离室内的气体组成。这些微流在分子或主要分子状态，这意味着气体物质的微流的强度与气体物质本身的质量的平方根成反比。但是，这种不平衡由以下事实精确地补偿：来自真空压力电离室的输出流也处于分子或主要分子状态，使得电离室内的部分气体浓度保持恒定，处于期望的水平。
另外，如上所述，该设备允许控制输出离子束的强度和/或调制。
此外，由于其上述特征，该设备是便携式的；在实施选项中，其甚至可通过一个或多个芯片以集成形式构造。该设备也易于安装并且是多用途的，因为其可用于多个不同的应用中。
最后，由于上述自校准和自诊断功能，该设备可满足高可靠性要求。
对于先前描述的生成离子流的方法，可确定类似的优点。
对于上述用于生成受控离子流的设备的实施例以及相关方法，本领域技术人员为了满足依情况而定的要求，可用其他功能等同的构件，甚至与现有技术一起，甚至创建混合实施例来修改、改编和替换构件，而不脱离所附权利要求的范围。被描述为属于可能的实施例的每个特性可独立于所描述的其他实施例来实现。还要注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个(a)”或“一个(one)”不排除多个。此外，附图不一定按比例；相反，通常重要的是给出本发明的原理的说明。

Claims (18)

1.一种用于生成受控离子流(I)的设备(1)，所述设备(1)是便携式的，并且包括：
-电离室(6)，适于保持在真空压力下，并且被配置为电离其中包含的气体颗粒；
-至少一个入口构件(2)，被配置为抑制或允许和/或调节所述气体颗粒的气流(Fi)在所述电离室中的入口；
-至少一个离子出口构件(3)，被配置为抑制或允许和/或调节输出气流(Fo)和所生成的离子的离开所述电离室(6)的离子流(I)；
其中，所述至少一个入口构件(2)包括气流调节接口(22)，所述气流调节接口具有多个亚微米尺寸的纳米孔(20)，适于以受控的方式被打开或关闭，以抑制或允许相应的多个气体微流通过所述至少一个入口构件(2)；
并且其中，所述至少一个出口构件(3)包括孔口(30)，适于以受控的方式被打开或关闭，以便控制所述输出气流(Fo)的输出传导性。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，进一步包括控制装置(4)，包括：
-所述至少一个入口构件(2)的入口致动装置(25)，被配置为以受控方式致动所述至少一个入口构件(2)；
-所述至少一个出口构件(3)的出口致动装置(35)，被配置为以受控的方式致动所述至少一个出口构件(3)；
-电子处理装置(40)，被配置为控制所述入口致动装置(25)，以便选择性地打开或关闭多个所述纳米孔(20)，且所述电子处理装置被配置为控制所述出口致动装置(35)，以便可控地关闭或打开所述孔口(30)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述设备(1)是集成设备。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，每个所述纳米孔(20)被配置为，当被打开时，甚至在大气压力或更高的条件下，也允许气体微流在分子或主要分子状态下，并且当被关闭时，抑制所述气体微流，使得通过所述至少一个入口构件(2)的总气流是通过打开的纳米孔的在分子或主要分子状态下的微流的总和。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述至少一个出口构件(3)进一步被配置为随时间控制和/或调制所述输出离子流(I)的强度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述出口致动装置(35)包括至少一个闸门(36)，与相应的至少一个出口构件(3)相关联，并且被配置为以受控方式完全关闭或保持完全打开或部分地阻挡所述至少一个出口构件(3)的孔口(30)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述电离室(6)包括：
-至少一个电离源(61)；
-电离区域(62)，包含已经被所述至少一个入口构件(2)允许进入的气体颗粒，所述电离区域(62)被布置为电离所述气体颗粒并生成相应的离子；
-离子提取装置(63)，被配置为确定所生成的离子的通过至少一个离子提取窗口(64)的优选轨迹，并随后将所述离子向所述至少一个出口构件(3)引导，其中，所述离子通过所述至少一个离子提取窗口(64)离开所述电离区域(62)；
-电离室控制装置(65)。
8.根据权利要求2和4所述的设备(1)，其中，所述控制装置(4)被配置为调节输入气流(Fi)和所述输出气流(Fo)，以便将所述电离室(6)内的期望压力值保持在足够低的水平，以确保甚至所述输出气流(Fo)在分子或主要分子状态下存在，因此意味着：
-所述电离室(6)内的部分气体浓度再现存在于所述至少一个入口构件(2)所暴露的外部环境中的部分气体浓度；
-输出离子流(I)中的部分离子浓度代表所述部分气体浓度。
9.根据权利要求2和4所述的设备(1)，包括多个入口构件(2)，每个入口构件暴露于具有相应的部分气体浓度的相应的外部环境(Ai)，其中，所述控制装置(4)被配置为调节来自入口构件(2)的输入气流(Fi)和所述输出气流(Fo)，以便将所述电离室(6)内的期望压力值保持在足够低的水平，以确保甚至所述输出气流(Fo)在分子或主要分子状态下存在，因此意味着：
-所述电离室(6)内的部分气体浓度取决于存在于所述外部环境(Ai)中的部分气体浓度的可控加权和；
-所述输出离子流(I)中的部分离子浓度代表存在于所述电离室(6)内部的可控的部分气体浓度。
10.根据权利要求2所述的设备(1)，其中，所述出口致动装置(35)被配置为：
-通过调节所述孔口(30)的开口尺寸来控制所述输出气流(Fo)；
-通过调节所述孔口(30)的关闭和打开时间段的持续时间或所述孔口(30)的关闭/打开周期时间来控制所述输出离子流(I)的调制；
-通过调节所述孔口(30)的关闭和打开时间段的持续时间或所述孔口(30)的关闭/打开周期时间来控制所述电离室(6)内部的压力。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的设备(1)，其中，所述控制装置(4)被配置为通过确定就打开和关闭的纳米孔的数量和位置而言的打开和关闭的纳米孔(20)的模式，和/或通过确定所述纳米孔(20)的打开时间和关闭时间的比率，或者通过确定操作周期的比率，来控制通过所述调节接口(22)的气流(Fi)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述至少一个入口构件(2)的每个纳米孔(20)适于以受控方式独立于其他纳米孔(20)单独地打开或关闭。
13.根据权利要求2至12中任一项所述的设备(1)，其中，所述入口致动装置(25)包括多个小型化的纳米孔打开/关闭构件(26)，每个所述构件(26)适于打开或关闭相应的纳米孔(20)，以便分别最小化或最大化纳米孔(20)传导性，
其中，所述入口致动装置(25)被电机致动或电磁致动，
并且其中，每个小型化的打开/关闭构件(26)包括：
-塞子(26)，通过相对于所述纳米孔(20)的轴向运动，能够电磁致动以关闭或打开相应的纳米孔(20)；
-或者微悬臂梁，能够电磁致动，在振荡端处具有适于插入所述纳米孔中或从所述纳米孔中取出的基本上锥形的尖端；
-或圆柱体，直径基本上等于相应的纳米孔的直径，所述圆柱体能够通过相对于纳米孔的轴向运动而被电磁致动以插入或从相应的纳米孔取出。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，进一步包括在所述电离室(6)内部的至少一个第一压力传感器(59)，被配置为测量存在于所述电离室(6)中的压力值；以及在所述电离室(6)外部的至少一个第二压力传感器(50)，被配置为测量相对于所述电离室存在于外部环境中的压力值，
所述第一压力传感器(59)和第二压力传感器(50)进一步被配置为将相应的测量的压力值提供给所述处理装置(40)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，包括第一芯片(10)，所述至少一个入口构件(2)在所述第一芯片中实施；以及第二芯片(11)，所述电离室(6)和所述至少一个出口构件(3)在所述第二芯片中实施，
并且其中，所述第一芯片(10)与所述第二芯片(11)重叠，以便仅通过所述至少一个入口构件(2)允许气流(Fi)进入所述第二芯片。
16.一种用于生成受控离子流(I)的方法，包括：
-在仅通过至少一个入口构件(2)和至少一个出口构件(3)与外部连通的电离室(6)中产生真空条件；
-以受控的方式抑制或允许输入气流(Fi)通过所述至少一个入口构件(2)的调节接口(22)，所述调节接口包括多个亚微米尺寸的纳米孔(20)，每个纳米孔适于被打开或关闭，以允许或抑制在分子或主要分子状态下的相应微流通过，使得通过所述调节接口(22)的总气流(Fi)是通过打开的纳米孔的微流的总和；
-以受控的方式抑制或允许输出气流(Fo)通过所述至少一个出口构件(3)的孔口(30)；
-调节所述输入气流(Fi)和所述输出气流(Fo)，以便将所述电离室(6)内的压力值保持在足够低的水平，以确保甚至所述输出气流(Fo)在分子或主要分子状态下存在，使得在所述电离室(6)内的部分气体浓度再现存在于所述至少一个入口构件(2)所暴露的外部环境中的部分气体浓度；
-电离所述电离室(6)内的气体颗粒，以便获得再现所述部分气体浓度的部分离子浓度；
-以输出离子束的形式提取在所述电离室(6)中生成的离子，以获得具有已知部分离子浓度的离子流(I)，所述输出离子束具有确定性地表示所述部分气体浓度的部分离子浓度。
17.一种用于生成受控离子流(I)的方法，包括：
-在电离室(6)中产生真空条件，所述电离室(6)仅通过多个入口构件(2)以及至少一个出口构件(3)与外部连通，每个入口构件暴露于具有相应的部分气体浓度的相应的外部环境(Ai)；
-以受控的方式抑制或允许输入气流(Fi)通过每个入口构件，所述入口构件具有相应的调节接口(22)，每个调节接口包括多个亚微米尺寸的纳米孔(20)，每个纳米孔(20)适于被打开或关闭，以允许或抑制在分子或主要分子状态下的相应微流通过，使得通过每个调节接口(22)的总气流是通过打开的纳米孔的微流的总和；
-以受控的方式抑制或允许输出气流(Fo)通过所述至少一个出口构件(3)的孔口(30)；
-调节所述输入气流(Fi)和所述输出气流(Fo)，以便将所述电离室(6)内的压力值保持在足够低的水平，以确保甚至输出气流(Fo)在分子或主要分子状态下存在，使得在所述电离室(6)内部的部分气体浓度取决于存在于所述外部环境(Ai)中的部分气体浓度的可控加权和；
-电离所述电离室(6)内的气体颗粒，以便获得确定性地代表存在于所述电离室(6)中的所述部分气体浓度的部分离子浓度；
-以输出离子束的形式提取在电离室中生成的离子，以获得具有期望的部分离子浓度的离子流(I)，所述输出离子束具有再现存在于所述电离室中的所述部分离子气体浓度的部分离子浓度。
18.根据权利要求16或17所述的方法，包括控制所述离子流(I)的输出强度和/或调制的另外的步骤。
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