Способ получения протонных пучков при атмосферном давлении

Изобретение относится к области образования заряженных частиц при атмосферном давлении и может быть использовано в научной деятельности, в медицине, в технологических процессах, во вторичной ионной масс-спектрометрии при атмосферном давлении, в которых возможно использование протонных пучков, содержащих до 10¹² протонов в секунду. Технический результат - возможность получения воспроизводимого долговременного стабильного тока протонов при атмосферном давлении. Особенностями способа является использование электролита в виде водно-спиртового раствора с добавлением кислоты до концентрации 0,1 М. Протоны экстрагируются из вершины мениска электролита, находящегося в неоднородном постоянном электрическом поле. Режим экстракции протонов имеет устойчивый характер в течение всего времени поступления электролита в мениск. 4 ил.

 

Настоящее предполагаемое изобретение относится к области образования заряженных частиц при атмосферном давлении и может быть использовано в научной деятельности, в медицине, в технологических процессах, во вторичной ионной масс-спектрометрии при атмосферном давлении, при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, проведении анализов в протеомике, метаболомике и криминалистике, в которых возможно использование протонных пучков, содержащих до 10¹² протонов в секунду. Изобретение относится к новому способу получения пучка протонов. Традиционно получение пучка протонов относилось к области вакуумной электроники и ускорительной техники, где обязательным условием является высокий вакуум.

Способ получения пучка протонов [1] основывается на осуществлении ядерной реакции ³He(D,P) ³Не путем бомбардировки ускоренными ионами дейтерия гелиевой мишени, содержащей ³ Не в Ti. Ионы дейтерия получают в электрическом разряде в промежутке катод-анод источника ионов, полученные ионы ускоряются высоким напряжением в сторону гелиевой мишени и возбуждают ядерную реакцию ³He(D,P) ³Не с образованием протонов, энергия которых составляет 15 Мэв. Гелиевую мишень получают путем насыщения Ti тритием до предельной концентрации, с последующей выдержкой до 10 месяцев и дальнейшего выделения трития из Ti при нагреве до 400-500°С при непрерывной вакуумной откачке. Весь ³Не, образовавшийся в результате распада трития, остается в Ti, а тритий полностью выделяется. Из-за небольшой проникающей способности только 5-6% от общего количества образовавшихся протонов может быть использовано, при применении тонкостенного выводного окна.

Недостатками этого способа получения пучка протонов являются: необходимость вакуумной откачки корпуса генератора протонов, длительная подготовка гелиевой мишени и длительный ее нагрев до 400-500°С, для реализации ядерной реакции необходимо применение изотопов водорода - трития и дейтерия, высокая энергия ионов дейтерия для проведения ядерной реакции с максимально возможным выходом протонов, необходимость тонкостенного выводного окна и как следствие потери протонов в пучке. Все перечисленные недостатки рассматриваемого способа получения протонов приводят в дальнейшем к габаритной и сложной реализации.

Рассмотренный способ имеет много общего с другим [2, 3] способом, в котором протоны получают непосредственно в электрическом разряде в потоке водорода. Для формирования пучка протонов и увеличения плотности ионного тока протонов и плотности электронного тока разряда применяют ориентированное по оси источника ионов водорода магнитное поле, сжимающее диаметр канала разряда в несколько раз и соответственно увеличивающее, выходной из источника ионов, ток протонов. К недостаткам такого способа получения протонов можно отнести: наличие откачиваемой вакуумной камеры, в которой расположен газоразрядный источник ионов, распыление электродов источника под воздействием разряда, а соответственно и наличие посторонних ионов материала электродов в протонном пучке, при этом для поддержания рабочего режима работы источника ионов необходимо перемещение стержневого катода вдоль оси, только импульсный режим генерации протонов.

Способ формирования протонного пучка без использования ионизации водорода в электрическом разряде [4] выбран в качестве прототипа в данном патенте.

Известный способ заключается в том, что протоны из электролита, содержащегося в аккумуляторе протонов, под действием электрического поля, диффундируют через палладиевый анод к поверхности, обращенной в вакуум. С поверхности анода под действием электрического поля другого сеточного электрода протоны эмитируются в вакуум в виде пучка протонов, а затем ускоряются под действием потенциала катода.

Недостатками известного способа являются необходимость вакуумной камеры, использование специфических материалов для реализации способа, в частности, палладия для анода, композитного материала адсорбирующего водород, материал с высокой электропроводностью по ионам водорода.

Целью предлагаемого способа является получение протонов при атмосферном давлении при нормальных условиях, основанное на том, что из электролита, представляющего собой водно-спиртовой раствор с добавлением кислоты до концентрации не более 0,1 М, происходит бескапельная экстракция протонов в атмосферу в сильном неоднородном электрическом поле с вершины мениска раствора, расположенного на торце капилляра с последующей сепарацией потока протонов от тяжелых заряженных частиц при атмосферном давлении.

Экспериментальная проверка показала, что при электрораспылении водно-спиртовых растворов заявленным способом (бескапельный режим распыления) получен долговременный стабильный ток протонов, при этом из вершины мениска инжекции струи раствора не наблюдается, на противоэлектроде капли не появляются. Время существования стабильного безкапельного режима электрораспыления определяется временем подачи водно-спиртового раствора с добавлением кислоты до необходимой концентрации к вершине мениска. На фигуре 1 представлена зависимость стабильности тока протонов при распылении водно-спиртового раствора с добавлением муравьиной кислоты до концентрации 0,1 М. На фигурах 2, 3, 4 показаны фотографии менисков водно-спиртового раствора, при отсутствии кислоты в растворе - существует струя микрокапель раствора (фигура 2), с 0. 1% добавлением кислоты в растворе - струя микрокапель отсутствует (фигура 3) и с 1% добавлением кислоты - струя микрокапель отсутствует (фигура 4).

В пользу эмиссии протонов из водного раствора органического легколетучего растворителя с добавлением кислоты до 0,1 М говорит тот факт, что при увеличении концентрации кислоты в растворе у вершины мениска раствора происходит электрический пробой газа (воздуха при нормальных условиях), чего не происходит при электрораспылении водно-спиртового раствора KCl в концентрации 0,5 М. С учетом аномальной подвижности протонов как в жидкости так и в газе, которая в 3,5-5 раз превышает подвижность других частиц логично предположить существование свободных протонов в атмосфере при таком способе их эмиссии. Для реализации предлагаемого способа получения протонных пучков при атмосферном давлении возможно использование любого из устройств описанных в [5-10], основанных на режимах работы устройства электрораспыления с растворами с динамическим делением потока распыляемой жидкости и отведением ее излишка из области распыления при нормальных условиях. Полученный поток ионов преобразуется из расходящегося в параллельный осесимметричный поток необходимого диаметра [11] и далее импульсно сепарируется от тяжелых заряженных частиц при атмосферном давлении [12] с дальнейшей транспортировкой потока протонов системой диафрагм с распределенным постоянным напряжением [11].

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №353282 от 29.09.1972. Генератор протонов. A.M. Родян, В.В. Суренянц, И.Т. Сидоров, А.Т. Давыдов.

2. Патент РФ №2098883 от 10.12.1997. Протонный импульсный источник с катодным конусом. Лапицкий Ю.Я.

3. Патент РФ №2249880 от 24.06.2003. Импульсный источник водородных ионов со стержневым холодным катодом. Лапицкий Ю.Я.

4. Патент РФ №2393578 от 13.11.2008. Источник формирующий протонный пучок. Червонобродов С.П.

5. Патент РФ №2608361 от 18.01.2017 г. Устройство образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках с ионов с атмосферным давлением. М. Н. Краснов, Н.В. Краснов.

6. Патент РФ №2530783 от 15.08.2014 г. Устройство электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов. М.З. Мурадымов, В.А. Самокиш, Н.В. Краснов.

7. Патент РФ Полезная модель №169146 от 07.03.2017. Устройство источника ионов-электроспрей для получения бескапельного стабильного ионного тока анализируемых веществ из растворов в течение длительного времени. Краснов М.Н., Краснов Н.В.

8. Патент РФ №2587679 от 27.05.2016 г. Устройство непрерывного стабильного электрораспыления растворов в источнике ионов при атмосферном давлении. М.З. Мурадымов, С.Ю. Семенов, Н.В. Краснов.

9. Патент РФ №2608361 04.06.2015 г. Устройство образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением. М.Н. Краснов, Н.В. Краснов.

10. Патент РФ №2608362 11.06.2015 г. Устройство стабильного электрораспыления при атмосферном давлении растворов веществ для источников ионов. М.З. Мурадымов, О.В. Пашков, Н.В. Краснов.

11. A.N. Arseniev, I.V. Kurnin, N.V. Krasnov, M.Z. Muradimov, T.V. Pomozov, M.I. Yavor, M.N. Krasnov. Optimization of ion transport from atmospheric pressure ion sources. International Journal for Ion Mobility Spectrometry, 2019, V. 22, N 1, P.31-38 DOI: 10.1007/s 12127-018-02420-2.

12. 3аявка №2019124208. Решение о выдаче патента от 17.02.2020. Способ предварительной сепарации потока заряженных частиц в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении. Краснов Н.В., Мурадымов М.З., Краснов М.Н., Курнин И.В.

Патентообладатель:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ИАЛ РАН (RU) Общество с ограниченной ответственностью «Девайс Консалтинг» (RU) Авторы: Краснов Николай Васильевич (RU), Краснов Максим Николаевич (RU), Мурадымов Марат Зарифович (RU), Курнин Игорь Васильевич (RU).

Способ получения протонных пучков при атмосферном давлении, основанный на том, что экстракция протонов и их транспортировка из объема электролита происходит через микроканалы мембраны в пространство постоянным электрическим полем, отличающийся тем, что из электролита, представляющего собой водный раствор легколетучего органического растворителя с добавлением кислоты до концентрации не более 0,1 М, происходит экстракция протонов в сильном неоднородном электрическом поле с вершины мениска раствора, расположенного на торце капилляра с последующими преобразованием потока заряженных частиц из расходящегося в параллельный, импульсной сепарацией потока протонов от тяжелых заряженных частиц и дальнейшей транспортировкой потока протонов системой диафрагм при атмосферном давлении.