УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ЛАМПА ДЛЯ ФОТОИОНИЗАЦИОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01J61/40 

Предлагаемое изобретение относится к области создания источников излучения, более конкретно к разработке источников излучения, используемых для фотоионизации.

Такие источники имеют спектры излучения, рабочая часть которых простирается вправо до 155-160 нм, что соответствует ионизации наиболее легкоионизуемых компонентов. Коротковолновая граница излучения соответствует границе пропускания окна источника. Для изготовления окон источников излучения используют различные материалы, в том числе фториды металлов, и сапфир, супразил, имеющие границу пропускания от 103 нм (фторид лития) и более. Коротковолновая граница пропускания окна и рабочий (излучающий в области 103-160 нм) газ определяют область аналитического применения ультрафиолетовых (УФ)-ламп фотоионизационного детектора. Так, лампы с окном из MgF₂, содержащие в качестве рабочего газа криптон или водород, используют при детектировании практически всех органических веществ. Лампу с окном из Al₂0₃, имеющую в качестве рабочего газа ксенон, используют для селективного определения компонентов с низкими потенциалами ионизации.

Применение ламп с высокими энергиями излучаемых фотонов не всегда целесообразно, поскольку при этом имеют место и более высокие величины шума и дрейфа фотоионизационного детектора.

Известна УФ-лампа /1/, содержащая колбу, заполненную водородом или дейтерием или их смесями с гелием при общем давлении от 10 мм рт. ст. окно из фторида магния, через которое выводится излучение. В известной лампе электрический разряд, зажигаемый во внутреннем объеме лампы, возбуждает атомарный и молекулярный водород, в результате чего лампа излучает в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ до 200 нм) многолинейчатый спектр. Левая граница излучаемого спектра определяется границей пропускания фторида магния и составляет 113 нм. Известная лампа применяется в фотоионизационных детекторах и обеспечивает высокую чувствительность детектирования.

Недостатком этой лампы при использовании ее для детектирования компонентов с низкими (менее 10 эВ) потенциалами ионизации является наличие в спектре лампы линии L (длина волны 121,6 нм). Эта линия дает интенсивный выход фотонов в камеру, что обуславливает высокий уровень шумов, поскольку линия L подвержена значительным флуктуациям.

Характеристики приборов с УФ-лампами были улучшены в техническом решении /2/, наиболее близком по своей сущности к предлагаемому изобретению. УФ-лампа содержит разрядную колбу, заполненную по меньшей мере одним газом, излучающим при возбуждении многолинейчатый спектр в ВУФ-области. Со стороны выхода излучения лампа имеет фильтр, выполненный из материалов, имеющих границы пропускания от 122 нм и расположенный внутри колбы. Наличие фильтра приводит к отрезанию левой части спектра вплоть до 122 нм, при этом отрезается и высокоэнергетичная линия L. В результате уменьшаются шумы и дрейф фотоионизационного детектора.

Известное техническое решение позволило увеличить температурную стабильность лампы и приборов, в которых она используется, сделать их более надежными в эксплуатации.

Однако, известное техническое решение в то же время вносит ограничение в применение УФ-лампы в фотоионизационном детектировании, поскольку все излучения выводятся через фильтр. Например, становится невозможным определение таких компонентов, как гексан, гептан и других веществ с энергиями ионизации от 10,2 эВ и более. Поэтому для анализа сложных смесей, содержащих вещества с разными потенциалами ионизации, может потребоваться использование одновременно двух ламп, что усложняет конструкцию приборов, в которых использованы лампы. Кроме того, наличие одного фильтра в лампе не позволяет использовать ее для идентификации веществ, что желательно при работе анализаторов.

Целью данного изобретения является расширение области применения УФ-ламп для фотоионизационного детектирования.

Указанная цель достигается тем, что в УФ-лампе для фотоионизационного детектирования, содержащей разрядную колбу, наполненную по меньшей мере одним инертным газом и/или водородом, и/или дейтерием, с герметично присоединенным к ней окном с границей пропускания от 103 нм, и фильтр, имеющий характеристики пропускания, отличающиеся от характеристик окна, и расположенный со стороны внутренней поверхности окна, в соответствии с изобретением фильтр частично перекрывает площадь выходного окна.

Другим отличием предлагаемой УФ-лампы является размещение со стороны внутренней поверхности окна, свободной от фильтра, по меньшей мере одного дополнительного фильтра, имеющего характеристики пропускания, отличающиеся от характеристик основного фильтра и окна лампы.

Еще одним отличием предлагаемой УФ-лампы является использование дополнительных катодов для образования дополнительных каналов.

Дополнительным отличием является введение дополнительных анодов по числу дополнительных катодов.

Дополнительным отличием является наличие общего анода для всех каналов.

Дополнительным отличием является также выполнение фильтров из фторида кальция, фторида бария, сапфира, супразила и кварца.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 и 2 изображена предлагаемая УФ-лампа, выполненная в безэлектродном варианте.

На фиг. 3 представлена предлагаемая УФ-лампа, в которой разряд поддерживается с помощью пары электродов.

На фиг. 4 изображена предлагаемая УФ-лампа, в которой имеется два разрядных канала и один фильтр.

На фиг. 5 и 6 изображена предлагаемая УФ-лампа с четырьмя разрядными каналами и четырьмя фильтрами.

В варианте УФ-лампы в безэлектродном исполнении (фиг. 1) имеется колба 1, выполненная из стекла, герметично соединенная с окном 2, выполненным из фторида магния. Колба 1 заполнена ксеноном или криптоном. Внутри колбы 1 со стороны внутренней поверхности окна 2 установлен фильтр 3, выполненный из фторида бария (для лампы ксенонового наполнения) или фторида кальция (для лампы криптонового наполнения). Фильтр 3 удерживается у поверхности окна 2 с помощью стеклянных фиксаторов 4. При этом фильтр 3 лишь частично перекрывает площадь поверхности окна 2. Участок 5 окна лампы свободен от фильтра. Разряд в лампе возбуждается с помощью индуктора 6, присоединенного к высокочастотному генератору, не показанному на фиг.1.

Предлагаемая лампа работает следующим образом. При протекании высокочастотного тока в индукторе 6 в лампе зажигается разряд и происходит возбуждение ксенона, который излучает в ВУФ-области фотоны с энергией 9,54 эВ (123,6 нм) и 8,44 эВ (147 нм). Часть излучения проходит через фильтр 3 из фторида бария, который пропускает только фотоны с энергией 8,44 эВ. Другая часть излучения проходит через участок 5 окна, свободный от фильтра, и содержит обе главные резонансные линии ксенона в ВУФ-области.

При заполнении лампы криптоном имеет место излучение фотонов с энергией 10,64 эВ (116,5 нм) и 10,02 эВ (123,6 нм). Фильтр 3 из фторида кальция поглощает фотоны с энергией 10,64 эВ, участок окна 5, свободный от фильтра 3, пропускает обе резонансные линии криптона. Таким образом, в одной лампе фактически совмещаются два источника излучения в ВУФ-области с разными спектральными характеристиками, что расширяет их использование в аналитической технике.

На фиг. 2 представлен вариант УФ-лампы, в котором в отличие от описанного выше возбуждение и поддержание разряда производится с помощью электродов. Соответственно лампа снабжена стеклянной ножкой 7, на которой находится стеклянный цилиндр 8, несущий на себе электродную систему, состоящую из анода 9 и катода 10, соединенных с токовводами 11 и 12. Анод и катод формируют разрядный канал 13. Фильтр 3 установлен с помощью фиксаторов 4 у внутренней поверхности окна 2 и перекрывает лишь часть площади окна и выходного сечения разрядного канала 13. Заполнение лампы и соответственно выбор фильтра аналогичны предыдущему варианту. Участок 3 окна 2 свободен от фильтра 3 и расположен против части выхода разрядного канала 13. Данный вариант УФ-лампы работает в режиме тлеющего разряда. При подаче напряжения, достаточного для пробоя, на электроды 9 и 10 в объеме лампы появляется излучающая плазма, которая обеспечивает выход фотонов из разрядного канала 13. Часть излучения проходит через фильтр 3 и окно 2, а другая часть через участок 5 окна, свободный от фильтра 3, что обеспечивает, как и в выше описанном варианте, наличие на выходе из лампы двух световых потоков с разными характеристиками излучения.

На фиг. 3 представлен вариант УФ-лампы для фотоионизационного детектирования с двумя разрядными каналами, один из которых находится против фильтра, а другой против поверхности окна, свободной от фильтра. Лампа содержит разрядную колбу 1, выполненную из стекла, герметично соединенную с окном 2 из фторида магния. Колба заполнена смесью криптона и галлия при общем давлении 4 мм рт. ст. Внутри лампы имеется стеклянная ножка 7, на которой находится стеклянный цилиндр 8, несущий на себе электродную систему, состоящую из анода 9 и катода 10, формирующих разрядный канал 13. Против разрядного канала 13 установлен фильтр 3, выполненный из фторида кальция. Фильтр 3 фиксирован внутри анода 9 и частично перекрывает окно 2 УФ-лампы. На стеклянной ножке 14, находящейся рядом с ножкой 7 внутри колбы 1, устанавливается дополнительная электродная система, расположенная на стеклянном цилиндре 15, включающая в себя дополнительные анод 16 и катод 17, образующие дополнительный разрядный канал 18. Эта электродная система установлена непосредственно против участка 5 окна лампы, который свободен от фильтра 3. Обе пары электродов соединены с герметично впаянными токовводами 11, 12, 19, 20, присоединенными к источникам питания, не показанным на фиг. 3.

Вариант УФ-лампы, показанный на фиг.3, работает следующим образом. При подаче напряжения, превышающего пробивное, между анодом 9 и катодом 10, а также между дополнительным анодом 16 и дополнительным катодом 17 зажигаются тлеющие разряды. В лампе, заполненной смесью криптона и гелия, происходит возбуждение атомов криптона и появляется излучение. Разрядные каналы 13 и 18 излучают среди прочих фотоны с энергиями 10,64 эВ (116,5 нм) и 10,02 эВ (123,6 нм), используемые для фотоионизации. По ходу распространения излучения из разрядного канала 13 находится фильтр 3, выполненный из фторида кальция, имеющего границу пропускания 122 нм. Этот фильтр не пропускает фотоны с энергией 10,64 эВ, но пропускает фотоны с энергией 10,02 эВ, которые затем выводятся через окно 2.

Против канала 18 фильтров не имеется и излучение выводится непосредственно через свободный участок 5 окна 2, которое пропускает фотоны обеих энергий.

Таким образом, на выходе из ламп, изображенных на фиг.1-3, имеется два световых пучка, различающихся по спектральному составу в ВУФ-области. Световой поток, испускаемый разрядным каналом 18, содержащий коротковолновое (10,64 эВ) и длинноволновое (10,02 эВ) излучение, далее используется в фотоионизационном детекторе для ионизации компонентов как с высокими, так и с низкими потенциалами ионизации, то есть ионизуются все вещества с энергией ионизации менее 10,64 эВ. Световой поток, испускаемый разрядным каналом 13, содержит только фотоны с энергией 10,02 эВ и используется для ионизации компонентов с небольшими энергиями ионизации (до 10,02 эВ), что позволяет селективно их определять на фоне трудноионизуемых веществ.

В результате область использования предлагаемых ламп существенно расширяется и каждая из них фактически может заменить две лампы, работающие одновременно, а именно, лампу криптонового наполнения с окном из фторида магния и лампу криптонового наполнения с окном из фторида магния и фильтром из фторида кальция, расположенным внутри колбы, или лампу ксенонового наполнения с окном из фторида магния и лампу ксенонового наполнения с окном из фторида магния и фильтром из фторида бария, расположенным внутри колбы.

Необходимо отметить, что лампа с окном из фторидов кальция и бария может герметизироваться только с помощью эпоксидных компаундов и других клеев, ее применение ограничено температурой 100^oC, и поэтому как альтернатива предлагаемой лампе она не рассматривается. В предлагаемой лампе герметизация соединения окна из фторида магния с колбой обеспечивается за счет применения известных способов с помощью материалов, имеющих рабочую температуру до 400^oС. Таким образом, применение предлагаемой лампы, например, в газовой хроматографии возможно и целесообразно.

Преимуществом предлагаемой лампы является то, что изменение спектра, испускаемого излучение во времени, идет одновременно во всех разрядных каналах, поскольку оно определяется изменением состава одной и той же газовой среды, заполняющей лампу.

При использовании, например, двух различных криптоновых или ксеноновых ламп процесс старения ламп, естественно, идет с разной скоростью, что является недостатком при одновременном использовании двух ламп в анализе.

На фиг. 5 и 6 представлен вариант УФ-лампы с четырьмя разрядными каналами, установленными против четырех фильтров. Колба 1 заполнена смесью водорода с гелием при давлении до 6 мм рт. ст. и имеет окно из фторида магния. Внутри лампы находится четыре катода, два из которых 10 и 17 показаны на фиг. 4, а также общий анод 9, образующие четыре разрядных канала, два из которых 13 и 18 показаны на фиг.4. Лампа имеет токовводы, три из которых 11, 12, 19 показаны на фиг.4. Против разрядных каналов установлены фильтры 3, 21, 22, 23, выполненные из фторида кальция, фторида бария, сапфира и супразила, с границами пропускания 122, 135, 147 и 155 нм соответственно. Каждый из этих фильтров отсекает от многолинейчатого спектра водорода левую коротковолновую часть и выпускает правую длинноволновую. Это позволяет обеспечить на выходе из окна лампы четыре световых пучка УФ-излучения с различным составом спектра.

Применение такой лампы позволяет создавать новые приборы для газового анализа, а ее применение в хроматографическом анализе принципиально упрощает задачу идентификации.

Источники информации
1. Pat. USA N 3535576, кл. 313-112, 1970.

2. Положительное решение на Авт.свид. N 5051205, кл. Н 01 J 61/40, 1992. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в качестве источника излучения в аналитических приборах с фотоионизационным детектированием. Сущность изобретения: УФ-лампа содержит колбу с герметично присоединенным к ней окном с границей пропускания от 103 нм, заполненную по меньшей мере одним газом, излучающий многолинейчатый спектр в области вакуумного ультрафиолета. С внутренней стороны окна расположен фильтр с характеристиками пропускания, отличающийся от характеристик окна, частично перекрывающий площадь окна. Против поверхности окна, свободной от фильтра, установлен по меньшей мере один дополнительный фильтр с характеристиками пропускания, отличающимися от характеристик окна и основного фильтра. Лампа снабжена по меньшей мере одним дополнительным каналом, расположенным против поверхности окна, свободной от фильтра, или против по крайней мере одного дополнительного фильтра. Для образования дополнительных разрядных каналов используются дополнительные катоды с равным числом дополнительных анодов или с одним анодом, общим для всех каналов. В качестве материалов фильтров применяются фторид кальция, фторид бария, сапфир, супразил и кварц. Предлагаемое техническое решение существенно расширяет возможности использования УФ-ламп в аналитической технике. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ультрафиолетовая лампа для фотоионизационного детектирования, содержащая наполненную по меньшей мере одним инертным газом, и/или водородом, и/или дейтерием колбу с герметично присоединенным к ней окном с границей пропускания от 103 мм, и фильтр, имеющий характеристики пропускания, отличающиеся от характеристик пропускания окна, отличающаяся тем, что указанный фильтр расположен со стороны внутренней поверхности окна и перекрывает его площадь частично. 2. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что против поверхности окна, свободной от фильтра, установлен по меньшей мере один дополнительный фильтр, имеющий характеристики, отличающиеся от характеристик пропускания основного фильтра и окна. 3. Лампа по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшее мере одним дополнительным разрядным каналом, расположенным против поверхности окна, свободной от фильтра, или против по меньшей мере одного из указанных дополнительных фильтров. 4. Лампа по п. 3, отличающаяся тем, что для образования дополнительных разрядных каналов введены дополнительные катоды. 5. Лампа по п. 4, отличающаяся тем, что введены дополнительные аноды по числу дополнительных катодов. 6. Лампа по п. 4, отличающаяся тем, что анод является общим для всех разрядных каналов. 7. Лампа по п. 3, отличающаяся тем, что в качестве материалов фильтров использованы фторид кальция, фторид бария, сапфир, супразил и кварц.