Спектрометр нелинейности дрейфа ионов

 

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосферном воздухе. Кроме того, заявляемое устройство может быть использовано как детектор для газовой хроматографии. Техническим результатом является повышение чувствительности при определении концентрации микропримесей веществ в газах. Спектрометр нелинейности дрейфа ионов содержит камеру ионизации с входом для анализируемого газа и сбросовым газовым каналом, камеру разделения, соединенную по входу через ионную, апертуру с камерой ионизации, по выходу - с ионным регистратором, устройство очистки газа, соединенное по входу со сбросовым газовым каналом, по выходу - с входом камеры разделения, а также нагревательную камеру и управляемое устройство сброса газа. Нагревательная камера установлена на входе камеры ионизации, соединена по входу с анализируемым газом и выходом устройства очистки газа, а по выходу - с входом камеры ионизации и включает в себя измеритель температуры, терморегулятор и измеритель влажности, который подключен к управляемому устройству сброса газа. Источник ионизации содержит систему электродов, подключенных к источнику напряжений. Камера разделения образована двумя электродами, подключенными к генератору периодического несимметричного по полярности напряжения и источнику компенсирующего напряжения. Устройство очистки газа содержит побудитель расхода, совокупность регулятора расхода, организующих необходимые газовые потоки, и по крайней мере один фильтр. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосферном воздухе. Кроме того, заявляемое устройство может быть использовано как детектор для газовой хроматографии.

Известен спектрометр нелинейности дрейфа ионов, состоящий из камеры ионизации, имеющей вход для анализируемого газа и выход для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеры разделения ионов, образованной двумя противолежащими электродами, имеющей вход для очищенного газа, соединенной по входу с камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором, генератора периодического несимметричного по полярности напряжения и источника компенсирующего напряжения, подключенных к электродам камеры разделения, источника напряжений, подключенного к электродам камеры ионизации [1] .

В случае использования ионизации при атмосферном давлении это устройство обладает низкой чувствительностью и помехозащищенностью, обусловленными влиянием примесей, находящихся в анализируемом газе, на эффективность ионизации и эффективность разделения.

Известен спектрометр нелинейности дрейфа ионов, состоящий из камеры ионизации, имеющей вход для анализируемого и очищенного газа, сбросовый газовый канал, камеры разделения, соединенной по входу через ионную апертуру с камерой ионизации, по выходу - с регистратором ионов, устройства очистки газа, соединенного по входу со сбросовым газовым каналом и выходом камеры разделения, по выходу - с входом камеры ионизации. Камера ионизации содержит источник ионизации, систему электродов, подключенных к источнику напряжений. Камера разделения образована двумя электродами, подключенными к генератору периодического несимметричного по полярности напряжения и источнику компенсирующего напряжения. Устройство очистки газа включает в себя побудитель расхода, совокупность пневмосопротивлений, организующих необходимые газовые потоки, и по крайней мере один фильтр [2] .

Введение очищенного газа в камеру разделения в прототипе исключает попадание в нее примесей анализируемого газа (пары воды и т. п. ), тем самым повышая помехоустойчивость устройства. Однако при этом влияние мешающих примесей на эффективность ионизации не устраняется, что, особенно при высокой загрязненности атмосферы, существенно снижает чувствительность анализа.

Целью изобретения является повышение чувствительности спектрометра нелинейности дрейфа ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в спектрометр нелинейности дрейфа ионов, содержащий камеру ионизации с входом для анализируемого газа и сбросовым газовым каналом, камеру разделения, соединенную по входу через ионную апертуру с камерой ионизации, по выходу - с ионным регистратором, устройство очистки газа, соединенное по входу со сбросовым газовым каналом, по выходу - с входом камеры разделения, введены нагревательная камера и управляемое устройство сброса газа, при этом нагревательная камера установлена на входе камеры ионизации, соединена по входу с источником анализируемого газа и выходом устройства очистки газа, а по выходу - с входом камеры ионизации и включает в себя измеритель температуры, терморегулятор и измеритель влажности, который подключен к управляемому устройству сброса газа, установленному, например, в сбросовом газовом канале, и размещен в потоке анализируемого газа, например, на входе нагревательной камеры. Камера ионизации содержит источник ионизации, систему электродов, подключенных к источнику напряжений. Камера разделения образована двумя электродами, подключенными к генератору периодического несимметричного по полярности напряжения и источнику компенсирующего напряжения. Устройство очистки газа включает в себя по крайней мере один фильтр, побудитель расхода, совокупность регуляторов расхода, организующих необходимые газовые потоки.

На фиг. 1 изображен один из вариантов предлагаемого спектрометра нелинейности дрейфа ионов.

На фиг. 2 даны зависимости тока ионов, образующихся при β-ионизации 2,4-динитротолуола (ДНТ) в воздухе, насыщенном парами воды до 50 % и >90 %, от соотношения потоков очищенного газа к анализируемому (Q_оч/Q_ан).

Спектрометр состоит из нагревательной камеры 1, имеющей входы для анализируемого газа 2 и очищенного газа 3, измерителя температуры 4, терморегулятора 5, камеры ионизации 6, имеющей источник ионизации 7 (например, β-источник), систему электродов 8, ионную апертуру 9, сбросовый газовый канал 10, камеры разделения 11, образованной электродами 12, генератора периодического несимметричного по полярности напряжения 13, источника компенсирующего напряжения 14, ионного регистратора 15, устройства очистки газа, имеющего побудитель расхода 16, фильтр 17, пневмосопротивлений 18, измерителя влажности 19, управляемого устройства сброса газа 20.

Работает устройство следующим образом. Анализируемый газ через вход 2, а очищенный газ через вход 3 поступают в нагревательную камеру 1, где происходит их смешивание и нагревание. Управление температурой нагрева осуществляется с помощью измерителя температуры 4 и терморегулятора 5. Далее нагретая смесь поступает в камеру ионизации 6, где под действием источника ионизации 7 происходит образование ионов. Электрическое поле, создаваемое в камере ионизации с помощью напряжения, приложенного к электродам 8, транспортирует ионы через апертуру 9 в камеру разделения 11. Сброс газовой смеси осуществляется через сбросовый газовый канал 10. В камере разделения, продуваемой потоком очищенного газа, с помощью генератора 13 и источника 14 создаются периодическое несимметричное по полярности и компенсирующее электрические поля. Под действием периодического несимметричного по полярности поля ионы дрейфуют поперек потока газа на электроды 12, причем величина дрейфа зависит от сорта ионов. Сорт ионов, для которых скорость дрейфа скомпенсирована полем компенсации источника 14, достигает в потоке газа ионного регистратора 15. Все другие сорта ионов рекомбинируют на электродах 12. Устройство очистки газа, содержащее элементы 16-18, очищает разбавляющий поток и поток, проходящий через камеру разделения от примесей. Устройство сброса газа 20, управляемое измерителем влажности 19, позволяет регулировать соотношение расходов анализируемого газа 2 и очищенного газа 3. Чем выше влажность анализируемого газа, тем меньше расход через устройство 20 и, следовательно, меньше входной поток и выше степень разбавления его очищенным потоком 3.

Поставленная цель в предлагаемом техническом решении достигается за счет введения в устройство нагревательной камеры и управляемого устройства сброса газа. При использовании ударной ионизации (ионизации при атмосферном давлении) образование ионов анализируемых веществ происходит через ион-молекулярные реакции молекул анализируемых веществ с реактант-ионами. В газах, насыщенных парами воды, реактант-ионы существуют в виде ионных кластеров, содержащих большое количество присоединенных молекул воды. Молекулы воды ухудшают эффективность передачи заряда от реактант-иона к молекуле анализируемого вещества, что значительно уменьшает эффективность ионизации этих веществ. Нагрев газа приводит к уменьшению степени кластеризации реактант-ионов, увеличению эффективности ионизации анализируемых веществ и, следовательно, к увеличению чувствительности. Однако при высоких значениях влажности нагрев не способен значительно снизить степень кластеризации реактант-ионов, поэтому в предлагаемом устройстве в нагревательную камеру дополнительно введен поток очищенного газа, при смешивании с которым уменьшается концентрация паров воды. На фиг. 2 приведена зависимость тока ионов, образующихся при β-ионизации ДНТ в воздухе насыщенном парами воды, от соотношения потоков очищенного газа к анализируемому (Q_оч/Q_ан). Видно, что при небольшой степени разбавления по мере уменьшения доли анализируемого потока в общем потоке, поступающем в камеру ионизации, ионный ток растет, следовательно, растет чувствительность. При высокой степени разбавления происходит уменьшение концентрации вещества в камере разделения и падение ионного тока. Поэтому введение устройства сброса газа, управляемого измерителем влажности, позволяет установить оптимальную степень разбавления и тем самым повысить чувствительность спектрометра нелинейности дрейфа ионов в газах, содержащих пары воды.

Литература.

1. USA Pat. 5.420.424, Н 01 J 49/40, 49/42, 29.04.94, 30.05.95.

2. USA Pat. 5.736.739, Н 01 J 49/40, 49/04, 08.10.96, 07.04.98

Формула изобретения

1. Спектрометр нелинейности дрейфа ионов, содержащий камеру ионизации с входом для анализируемого газа и сбросовым газовым каналом, камеру разделения, соединенную по входу через ионную апертуру с камерой ионизации, по выходу - с ионным регистратором, устройство очистки газа, соединенное по входу со сбросовым газовым каналом, по выходу - с входом камеры разделения, отличающийся тем, что в него введены нагревательная камера и управляемое устройство сброса газа, при этом нагревательная камера установлена на входе камеры ионизации, соединена по входу с источником анализируемого газа и выходом устройства очистки газа, а по выходу - с входом камеры ионизации в себя измеритель температуры, терморегулятор и измеритель влажности, который подключен к управляемому устройству сброса газа.

2. Спектрометр нелинейного дрейфа ионов по п. 1, отличающийся тем, что камера ионизации содержит источник ионизации, систему электродов, подключенных к источнику напряжений.

3. Спектрометр нелинейности дрейфа ионов по п. 1, отличающийся тем, что камера разделения образована двумя электродами, подключенными к генератору периодического несимметричного по полярности напряжения и источнику компенсирующего напряжения.

4. Спектрометр нелинейности дрейфа ионов по п. 1, отличающийся тем, что устройство очистки газа содержит, по крайней мере, один фильтр, побудитель расхода, совокупность регуляторов расхода, организующих необходимые газовые потоки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2