ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 1999 года по МПК G01N30/70 

Изобретение относится к области газовой хроматографии и может быть использовано для контроля содержания, например, галогенсодержащих соединений в воздухе на уровне предельно допустимых концентраций (ПДК).

Известен электронозахватный детектор (ЭЗД) для газовой хроматографии, имеющей ионизационную камеру, где имеются радиоактивный ионизационный источник в виде фольги из радиоактивного ⁶³Ni, коллекторный электрод и каналы для подвода и отвода анализируемого газа (см. , например, патент США N 4063156).

Недостатком подобного детектора с радиоактивным ионизационным источником является то, что существует опасность радиоактивного заражения. Поэтому делались попытки создать ЭЗД с нерадиоактивным источником ионизации (см. патент США N 3149279, СССР а.с. N 375548 и т.д.)
Ближайший из предложенных ЭЗД, в котором решается упомянутая проблема, состоит из двух разделенных проницаемой для электронов перегородкой камер, нерадиоактивного источника излучения с термоэмиттером электронов в одной камере и коллекторным электродом в другой и каналами для подачи и отвода анализируемого газа, соединенными со второй камерой (см. заявку ЕР 0015495 Al, G 01 N 27/61).

В известном детекторе (взятом в качестве прототипа) проницаемая для электронов перегородка изготовлена в виде перфорированной пластины, через отверстия в которой поток газа переносит электроны из первой камеры во вторую.

Недостаток этого детектора состоит в том, что невозможно полностью исключить контакт анализируемого газа с термоэмиттером. Подобный контакт может возникнуть из-за прерывания газового потока, поступающего в камеру с источником электронов. Проникновение молекул газа через перфорированную перегородку может произойти вследствие увеличения давления в камере, куда подается газ, например, когда хроматографические колонки работают в режиме программируемого потока газа. Более того, в случае использования капиллярных хроматографических колонок обычно стараются свести к минимуму объем камеры, куда подается анализируемый газ из хроматографической колонки. В результате этого уменьшается расстояние до ионизационного источника, что в свою очередь делает возможным проникновение молекул газа из-за диффузии против газового потока в ту часть камеры, где собран источник электронов. Все это может привести к загрязнению рабочей поверхности источника электронов молекулами анализируемого газа. В результате изменится фоновый ток. А это увеличит нестабильность измерений и ошибки в определении уровней концентрации.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции ЭЗД с нерадиоактивным источником электронов, которая бы полностью исключала контакт анализируемого газа с рабочей поверхностью источника электронов.

Задача решается тем, что предложен электронозахватный детектор, содержащий две камеры, разделенные проницаемой для электронов перегородкой, нерадиоактивный источник электронов, установленный в одной из камер, коллекторный электрод, установленный в другой камере, с которой соединены патрубки для подвода и отвода газа, в котором согласно изобретению перегородка, разделяющая камеры, выполнена из сплошного материала, проницаемого для электронов и непроницаемого для газа, причем внутренний объем камеры, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, вакуумирован, и источник электронов подключен к источнику ускоряющего напряжения.

Другим отличием детектора является то, что в него введен модулятор напряжения, установленный между нерадиоактивным источником электронов и перегородкой. При этом модулятор напряжения может быть выполнен в виде металлической сетки, соединенной с отрицательным полюсом источника ускоряющего напряжения.

В числе отличий следует отметить то, что проницаемая для электронов и непроницаемая для газа перегородка выполнена из слюды. При этом перегородка может быть покрыта слоем электропроводного материала, который заземлен.

Еще одним отличием детектора является то, что нерадиоактивный источник электронов выполнен в виде термоэмиттера, а детектор снабжен источником УФ-излучения, установленным снаружи корпуса камеры, в которой установлен источник электронов, причем корпус камеры или его часть, расположенная между источником УФ- излучения и фотоэмиттером, выполнен из материала прозрачного для УФ-излучения.

В предпочтительном варианте выполнения детектора нерадиоактивный источник электронов выполнен в виде термоэмиттера и соединен с источником напряжения накала.

Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения в предлагаемом ЭЗД полностью исключается контакт анализируемого газа с источником электронов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено продольное сечение детектора с фотоэмиттером в качестве источника электронов.

На фиг. 2 показан вариант выполнения детектора с термоэмиттером в качестве источника электронов.

Предлагаемый ЭЗД 1 состоит из двух камер 2 и 3, разделенных перегородкой 4, выполненной из материала, проницаемого для электронов и непроницаемого для газа, например, из слюды или гетероциклического полиамида. Корпус детектора 1 выполнен из стекла и имеет в средней части кольцеобразный выступ 5, к которому крепится перегородка 4. Установленный в камере 2 нерадиоактивный источник электронов может быть выполнен в виде фотоэмиттера 6, соединенного с источником 7 ускоряющего напряжения. При этом детектор 1 снабжен источником 8 УФ-излучения, который установлен снаружи корпуса детектора 1 и облучает поверхность фотоэмиттера 6. Внутренний объем камеры 2 вакуумирован. К кольцеобразному выступу 5 прикреплена круглая сетка 9, малопоглощающая и слабо рассеивающая электроны, выполненная, например, из меди. Эта сетка 9 служит опорой для перегородки 4 и исключает прогибание перегородки под действием перепада давлений между объемами камер 2 и 3. Сетка 9 соединена с положительным полюсом источника 7 ускоряющего напряжения. Фотоэмиттер 6 может быть изготовлен в виде тонкой золотой пластины, из которой УФ-излучение от источника 8 выбивает электроны.

В камере 3 установлены поляризующий электрод 10 и коллекторный электрод 11, которые подсоединены соответственно к источнику 12 поляризующего напряжения и к электрометру 13. Камера 3 снабжена патрубками 14 и 15 для подвода и вывода анализируемого газа соответственно.

Описанный вариант выполнения детектора работает следующим образом.

Вследствие фотоэффекта фотоэмиттер 6 под действием УФ-излучения от источника 8 испускает электроны, которые движутся к сетке 9 под действием разницы потенциалов между фотоэмиттером 6 и сеткой 9, создаваемой источником 7 ускоряющего напряжения (18 - 25 кВ). Под действием ускоряющего напряжения электроны приобретают достаточную энергию, чтобы пройти через слой материала перегородки 4 и попасть в объем камеры 3. Анализируемый газ подается в камеру 3 через патрубок 14. Если в анализируемом газе имеются молекулы вещества с положительным сродством к электрону (захватывающие электроны), то ток, снимаемый с коллекторного электрода 11 и усиливаемый электрометром 13, меняется пропорционально концентрации этих молекул.

Представленный на фиг. 2 вариант выполнения детектора отличается от описанного выше тем, что нерадиоактивный источник электронов выполнен в виде термоэмиттера 16 (спираль нагрева), подключенного к источнику 7 ускоряющего напряжения и в цепь источника 17 напряжения накала. Камера 2 выполнена в виде стеклянного цилиндра 18, торцевой конец которого подсоединен с помощью вакуумного соединения к кольцеобразному металлическому фланцу 19. В камере 2 между термоэмиттером 16 и перегородкой 4 из материала, проницаемого для электронов и непроницаемого для газа (например, слюды), установлен модулятор 20 напряжения, подключенный к источнику 7 ускоряющего напряжения через дополнительный источник 21 постоянного напряжения. Перегородка 4 покрыта слоем 22 электропроводного материала, например, алюминия, который заземлен через металлический фланец 19. Цилиндрический корпус 23 камеры 3 выполнен из электроизоляционного материала, например, из керамики и герметично подсоединен своим торцом к кольцеобразному металлическому фланцу 24. Между фланцами 19 и 24 помещено кольцо 25 из уплотняющего материала, например, из резины, и фланцы 19 и 24 плотно прижаты друг к другу с помощью крепежных элементов (на фиг. не показаны) для достижения герметичного уплотнения в зонах их контакта. Торцевая часть 10 камеры 3 выполнена из металла и герметично соединена с корпусом 23 и с цилиндрическим поляризующим электродом 14. Коллекторный электрод 11 размещен на внутренней поверхности корпуса 23 камеры 3. Поляризующий электрод 14 через торцевую часть 10 камеры 3 и коллекторный электрод 14 соединены с источником 12 поляризующего напряжения и электрометром 13 соответственно. Выходная часть 26 капиллярной хроматографической колонки проходит через тройник 28 и внутренний канал поляризующего электрода 14. Патрубок 27 для подвода инертного газа или азота выполнен в виде металлического цилиндра и расположен перпендикулярно выходной части 26 капиллярной колонки.

Работа описанного варианта выполнения детектора (фиг. 2) характеризуется тем, что испускаемое с поверхности термоэмиттера 16 электроны (эта поверхность нагревается от источника 17 напряжения накала) ускоряются в поле между модулятором 20 и термоэмиттером 16, которое создается источником 7 ускоряющего напряжения и дополнительным источником 21 постоянного напряжения, до энергий, достаточных для проникновения через материал перегородки 4 и попадания во внутренний объем камеры 3. Из выходной части 26 капиллярной колонки в объем камеры 3 поступают разделенные анализируемые вещества вместе с потоком элюента, которые выносятся в зону проникновения электронов, благодаря поддуву инертного газа или азота, производимому через патрубок 27. В этой зоне происходят процессы ионизации и прилипания, в результате чего ток, измеряемой электрометром 13 изменяется в зависимости от концентрации анализируемых веществ.

Электронозахватный детектор содержит две камеры, разделенные проницаемой для электронов перегородкой. Нерадиоактивный источник электронов установлен в одной из камеру, коллекторный электрод установлен в другой камере, с которой соединены патрубки для подвода и отвода анализируемого газа. Перегородка, разделяющая камеры, выполнена из сплошного слоя материала, проницаемого для электронов и не проницаемого для газа. Внутренний объем камеры, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, вакуумирован. Источник электронов подключен к источнику ускоряющего напряжения. Технический результат данного изобретения выражается в исключении контакта анализируемого газа с рабочей поверхностью источника электронов. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронозахватный детектор, содержащий две камеры, разделенные проницаемой для электронов перегородкой, нерадиоактивный источник электронов, установленный в одной из камер, коллекторный электрод, установленный в другой камере, с которой соединены патрубки для подвода и вывода анализируемого газа, отличающийся тем, что перегородка, разделяющая камеры, выполнена из сплошного слоя материала, проницаемого для электронов и не проницаемого для газа, причем внутренний объем камеры, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, вакуумирован и источник электронов подключен к источнику ускоряющего напряжения. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в него введен модулятор напряжения, установленный между нерадиоактивным источником электронов и перегородкой. 3. Детектор по п.2, отличающийся тем, что модулятор напряжения выполнен в виде металлической сетки, соединенной с отрицательным полюсом источника ускоряющего напряжения. 4. Детектор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что проницаемая для электронов и не проницаемая для газа перегородка выполнена из слюды. 5. Детектор по пп.1 - 4, отличающийся тем, что перегородка из материала, проницаемого для электронов и не проницаемая для газа, покрыта слоем электропроводного материала, который заземлен. 6. Детектор по пп.1 - 5, отличающийся тем, что нерадиоактивный источник электронов выполнен в виде фотоэмиттера, а детектор снабжен источником ультрафиолетового излучения, установленным снаружи корпуса камеры, в которой установлен источник электронов, причем корпус камеры или часть его выполнены из материала, прозрачного для УФ-излучения. 7. Детектор по пп.1 - 5, отличающийся тем, что нерадиоактивный источник электронов выполнен в виде термоэмиттера и соединен с источником напряжения накала.