ИОНИЗАЦИОННЫЙ РАЗРЯДНЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 1998 года по МПК G01N30/70 

Предлагаемый детектор относится к хроматографическим детекторам ионизационного типа и может быть использован в экспрессных газовых хроматографах для количественного определения концентрации микропримесей веществ в газах.

Известен детектор с ионизацией инертными газами, представляющий собой замкнутую камеру с каналами ввода анализируемой газохроматографической смеси и обдувочного газа, выпускным каналом, β-источником, расположенным в канале обдувочного газа, анодом, регистрирующим электродом. На β-источник подается отрицательное по отношению к аноду напряжение [1].

Детектор работает следующим образом. Обдувочный газ, проходя через β-источник, бомбардируется β-частицами, в результате чего образуются вторичные электроны, которые полем между анодом и β-источником ускоряются до энергии, необходимой для возбуждения частиц инертного газа, так что вблизи анода образуется облако метастабильных атомов инертного газа. При отсутствии анализируемых веществ в газохроматографической смеси положительные ионы примесей газа-носителя, возникающие в процессе столкновения молекул примесей с возбужденными атомами инертного газа, потоком газа осаждаются на регистрирующем электроде, создавая фоновый ток. При наличии анализируемых веществ в газохроматографической смеси частицы пробы при столкновении с возбужденными атомами инертного газа ионизируются и, достигая измерительного электрода, увеличивают его ток. Изменение тока является полезным сигналом.

Недостатками данного устройства являются
- радиационная опасность детектора и потенциальная опасность радиационного загрязнения окружающей среды вследствие использования радиоактивного источника;
- высокий предел обнаружения, обусловленный высоким уровнем шума и фонового тока, из-за нестабильности напряжения на аноде, статистических флуктуаций плотности β-излучения.

Известен ионизационный разрядный детектор, представляющий собой замкнутую камеру с каналом ввода газохроматографической смеси и обдувочного газа, выпускным каналом, разрядными электродами, расположенными в канале ввода обдувочного газа и подключенными к импульсному генератору, системой регистрирующих электродов, представляющей собой набор металлических колец, разделенных изоляторами. К кольцам приложены такие напряжения, что ионы под действием электрического поля, возникающего внутри колец, осаждаются на одном из колец, к которому подключен электрометр [2].

Детектор работает следующим образом. Обдувочный (инертный) газ, проходя через канал, подвергается воздействию искрового разряда, возникающего между разрядными электродами, в результате чего образуются электроны, ионы и возбужденные атомы инертного газа, которые потоком газа выносятся в камеру. Электроны под действием поля системы регистрирующих электродов получают энергию, необходимую для ионизации и возбуждения частиц газохроматографической смеси и обдувочного газа. Внутри системы электродов при этом образуется облако метастабильных атомов инертного газа. В отсутствии анализируемых веществ в газохроматографической смеси положительные ионы примесей газа-носителя, возникающие в процессах столкновения молекул примеси с возбужденными атомами инертного газа, осаждаются полем на регистрирующий электрод, создавая фоновый ток. При наличии анализируемых веществ в газохроматографической смеси частицы пробы при столкновениях с возбужденными атомами инертного газа ионизируются и, достигая регистрирующего электрода, увеличивают ток электрометра. Изменение тока является полезным сигналом.

Основными недостатками устройства являются
- инерционность детектора, обусловленная большой протяженностью системы регистрирующих электродов и достаточно большим объемом камеры (0,2 см³);
- высокий предел обнаружения вследствие высокого уровня шумов, возникающих из-за неустойчивости искрового разряда (шнурования), уменьшения эффективного объема разряда вследствие шнурования, эрозии электродов и загрязнения объема детектора продуктами эрозии, большой величины фонового тока и естественной нестабильности высоковольтного напряжения на аноде.

Цель изобретения - уменьшение уровня шумов и, как следствие, предела обнаружения, повышение чувствительности, снижение инерционности детектора.

Поставленная цель достигается тем, что в ионизационном разрядном детекторе, представляющем собой замкнутую камеру с каналами ввода газохроматографической смеси и обдувочного газа, выпускным каналом, разрядными электродами, расположенными в канале обдувочного газа и регистрирующим электродом, разрядные электроды, покрытые диэлектрической оболочкой, подключены к высокочастотному генератору, а в канале ввода газохроматографической смеси установлен анод, отделенный от регистрирующего электрода диэлектрическим барьером. При этом используется либо импульсный высокочастотный генератор, либо постоянно действующий высокочастотный генератор.

На фиг. 1 изображен предлагаемый детектор.

На фиг. 2 приведена хроматограмма смеси бензол-толуол-ксилол (БТК), зарегистрированная с помощью предлагаемого детектора.

Ионизационный разрядный детектор (фиг. 1) содержит камеру 1 с каналами ввода газохроматографической смеси 2 и обдувочного газа 3, выпускным каналом 4, разрядные электроды 5, высокочастотный генератор 6, диэлектрические оболочки 7, регистрирующий электрод 8, анод 9, диэлектрический барьер 10.

Детектор работает следующим образом. При подаче на разрядные электроды 5 высокочастотного высоковольтного напряжения, вырабатываемого генератором 6, в пространстве между внешними поверхностями диэлектрических оболочек 7 возникает высокочастотный емкостный разряд. При прохождении потока обдувочного газа через этот разряд происходит образование носителей заряда (электронов, ионов) и возбужденных атомов инертного газа. Электроны, увлекаемые потоком обдувочного газа, попадают в неоднородное поле анода 9, где ускоряются и в небольшой области вблизи анода, ограниченной внутренним объемом барьера 10, создают высокую концентрацию возбужденных атомов инертного газа. Молекулы анализируемых веществ, попадая с газохроматографической смесью в детектор и взаимодействуя с возбужденными атомами инертного газа, образуют положительные ионы, которые, рекомбинируя на регистрирующем электроде 8, дают полезный сигнал.

Хроматограмма смеси БТК (фиг. 2) зарегистрирована с помощью предлагаемого разрядного детектора, установленного на хроматограф "ЭХО" с аргоном в качестве газохроматографического и обдувочного газов. Чувствительность по толуолу оценивалась ≈0,3 А•с/г, уровень шума был равен 1•10^-12 А, предел обнаружения по толуолу оценивался ≈0,075 ppm, инерционность <0,1 с. Для сравнения, при использовании β-источника (как в аналоге) и устройства искрового разряда (как в прототипе) уровень шума был равен 1,5•10^-11 А и 4•10^-11 А соответственно. Предел обнаружения и чувствительность для β-источника и искрового разряда оценивались 0,7 ppm и 0,1 А•с/г, 2 pрm и 0,1 А•с/г соответственно. Инерционность прототипа, имеющего объем ≈0,2 см³ при объемном расходе 1 см³/с, составляла ≈0,2 с.

Применение электродов, покрытых диэлектрическими оболочками и подключенных к высокочастотному генератору, позволило повысить чувствительность анализа и предел обнаружения детектора, так как в таком устройстве не происходит эрозии электродов, а пробой и бурное размножение электронов, транспортируемых к аноду, происходит только при амплитудных значениях напряженности поля. За такое короткое время ионизация мешающих примесей и частиц газа-носителя происходит в значительно меньшей степени (чем в прототипе). В таком поле средняя плотность тока разряда мала и контракции (шнурования) газового разряда не происходит. Контракция не возникает вследствие того, что при значениях поля, меньших амплитудного, происходит гашение разряда, рассасывание локальных флуктуаций плотности электронов, уменьшение температуры и затухание других факторов, приводящих к контракции. Все это приводит к уменьшению фонового тока и, следовательно, уменьшению уровня шума.

Отсутствие контракции позволяет увеличивать площади разрядных электродов и объем разряда, что повышает чувствительность анализа.

Использование барьера между анодом и регистрирующим электродом позволило максимально приблизить их друг другу и тем самым уменьшить объем детектора и инерционность.

Литература
1. Патент ПНР, 82571, G 01 N 31/08.

2. Патент США, 5153519, G 01 N 27/62.

Ионизационный разрядный детектор предназначен для количественного определения концентрации микропримесей веществ в газовых смесях в составе газовых хроматографов. Ионизационный разрядный детектор, представляющий собой замкнутую камеру с каналами ввода газохроматографической смеси и обдувочного газа, выпускным каналом, содержит в канале обдувочного газа разрядные электроды, покрытые диэлектрической оболочкой и подключенные к высокочастотному генератору, а в канале ввода газохроматографической смеси анод, отделенный от регистрирующего электрода диэлектрическим барьером, причем разрядные электроды подключены либо к импульсному высокочастотному генератору, либо к постоянно действующему. Технический резальтут заявленного изобретения выражается в уменьшении уровня шумов, повышении чувствительности, снижении инерционности детектора. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ионизационный разрядный детектор, представляющий собой замкнутую камеру с каналами ввода газохроматографической смеси и обдувочного газа, выпускным каналом, разрядными электродами, расположенными в канале обдувочного газа, регистрирующим электродом, отличающийся тем, что разрядные электроды, покрытые диэлектрической оболочкой, подключены к высокочастотному генератору, а в канале ввода газохроматографической смеси установлен анод, отделенный от регистрирующего электрода диэлектрическим барьером. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что разрядные электроды подключены к импульсному высокочастотному генератору. 3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что разрядные электроды подключены к постоянно действующему высокочастотному генератору.