СПЕКТРОМЕТР НЕЛИНЕЙНОСТИ ДРЕЙФА ИОНОВ Российский патент 2000 года по МПК H01J49/40 G01N27/62 

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

Известен спектрометр подвижности ионов, состоящий из корпуса, содержащего камеру ионизации с входным и выходным отверстиями для ввода и сброса анализируемого газа, с источником ионизации, системой электродов и ионной апертурой, камеру разделения с системой электродов, соединенную по входу с источником газа-носителя и через ионную апертуру с камерой ионизации, по выходу с регистратором ионного тока, источника постоянных напряжений, подключенного к системе электродов камеры разделения и генератора импульсных периодических напряжений, подключенного к системе электродов камеры ионизации [1].

Недостатками указанного спектрометра являются малый динамический диапазон измеряемых концентраций микропримесей, низкие точность определения концентрации и помехоустойчивость.

Известен также 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, образованной двумя противолежащими электродами и соединенной по входу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором, источника постоянных напряжений, подключенного к системе электродов камеры ионизации, генераторов периодического несимметричного по полярности напряжения и медленно меняющегося компенсирующего напряжения, подключенных к электродам камеры разделения [2].

Недостатками такого устройства являются:
- малый динамический диапазон, ограниченный насыщением тока ионов микропримеси при больших концентрациях частиц,
- сравнительно низкая чувствительность, обусловленная пониженной концентраций ионов-реактантов, участвующих в ион-молекулярных реакциях, вследствие выноса их из камеры ионизации постоянным электрическим полем,
- низкая помехоустойчивость при анализе смеси веществ.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона, повышение чувствительности и помехоустойчивости при определении концентрации микропримесей веществ в газах.

Поставленная цель достигается тем, что в спектрометр нелинейности дрейфа ионов, состоящим из камеры ионизации имеющей вход для анализируемого газа и выход для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеры разделения, образованной двумя противолежащими электродами, соединенной по входу с источником газа-носителя и через ионную апертуру с камерой ионизации для транспортировки ионов из камеры ионизации в камеру разделения, а по выходу - с ионным регистратором, генераторов периодического несимметричного по полярности напряжения и медленно меняющегося компенсирующего напряжения, подключенных к электродам камеры разделения, введен генератор импульсного напряжения с изменяемой частотой следования импульсов, подключенный к электродам камеры ионизации. Апертура и выход из камеры ионизации могут совпадать.

На фиг. 1 изображен спектрометр нелинейности дрейфа ионов.

На фиг. 2 показаны эпюры напряжений U, вырабатываемых генератором импульсного напряжения при отборе положительных ионов.

Спектрометр состоит из камеры ионизации 1, имеющей вход 2 для подачи анализируемого газа, источник ионизации 3 (например, β-источник), систему электродов 4, 5, 6, подключенную к генератору импульсного напряжения 7, ионную апертуру 8, выход 9 для сброса газа, камеры разделения 10, образованной электродами 11, источника газа-носителя 12, ионного регистратора 13, генераторов периодического несимметричного по полярности напряжения 14 и медленно меняющегося компенсирующего напряжения 15.

Работает устройство следующим образом. Анализируемый газ через вход 2 поступает в камеру ионизации 1, где ионизируется источником ионизации 3. Импульсное электрическое поле, возбуждаемое в камере ионизации при подаче импульсов напряжения, вырабатываемых генератором 7, на электроды 4, 5, 6, транспортирует ионы через апертуру 8 в камеру разделения 10. В камере разделения, в которую подается газ-носитель, создают периодическое несимметричное по полярности и компенсирующее электрические поля с помощью генераторов 14, 15. Под действием периодического несимметричного по полярности поля ионы дрейфуют поперек потока газа-носителя, причем величина дрейфа зависит от сорта ионов. Компенсирующее поле компенсирует дрейф ионов выбранного сорта, тем самым позволяя им достичь в потоке газа-носителя регистратора. Все другие сорта ионов рекомбинируют на электродах 11.

Регистрируемый таким образом усредненный ионный ток является мерой концентрации ионов определенного сорта.

При подаче импульсных напряжений на электроды 4, 5, 6 (на 4 - положительное относительно 5, а на 6 - отрицательное относительно 5) (см. фиг. 2), все положительные ионы, образованные в камере ионизации, выводятся из нее за время действия этих импульсных напряжений t_и и транспортируются через ионную апертуру 8 на вход камеры разделения 10.

В промежуток времени между импульсами (t_ион), когда происходит образование ионов, на электрод 6 подается положительное относительно электрода 5 напряжение, предназначенное для запирания в камере ионизации положительных ионов. Электроды 4 и 5 в это время находятся под напряжением проводящих поверхностей камеры ионизации, т.е. в камере ионизации электрическое доле отсутствует, что обеспечивает максимальную эффективность ионизации.

От концентрации частиц микропримеси зависит скорость образования ионов микропримеси, от которой в свою очередь зависит время (t_нас), необходимое для достижения концентрацией ионов равновесного значения. При равенстве t_ион= t_нас регистрируемый ток данного типа ионов будет максимальным. Поэтому зависимость I(t_ион) характеризует концентрацию ионов.

Снимая зависимости I(U_k, t_ион), можно проводить идентификацию микропримеси (по параметру U_k) и определять ее концентрацию (по параметру t_ион).

Расширение динамического диапазона при одновременном увеличении чувствительности в предлагаемом техническом решении происходит вследствие использования для отбора ионов импульсного напряжения с изменяемой частотой следования импульсов.

При малых концентрациях наиболее эффективна низкая частота отбора ионов. Чем выше концентрация частиц микропримеси, тем быстрее концентрация ионов микропримеси входит в "насыщение", тем, следовательно, выше должна быть частота отбора. Оптимальным периодом отбора ионов будет время, равное времени достижения концентрацией этих ионов максимального (равновесного) уровня. Поэтому при больших концентрациях микропримеси использование высокой частоты отбора не приводит к насыщению регистрируемого тока как в прототипе.

Отсутствие электрического поля в камере ионизации (за исключением, коротких импульсов отбора) способствует нарастанию концентрации ионов-реактантов до равновесных насыщенных значений, которые существенно выше, чем в известном спектрометре, где в камере ионизации постоянно существует электрическое поле. Высокая концентрация ионов-реактантов увеличивает вероятность взаимодействия их с частицами микропримеси и, следовательно, повышает чувствительность анализа.

При ионизации смеси микропримесей нескольких веществ реакции между ионами-реактантами и частицами этих веществ происходят независимо друг от друга. При возрастании концентрации ионов микропримесей до значений, сравнимых с концентрацией ионов-реактантов, становятся существенными конкурентные реакции между ионами микропримесей и частицами других (мешающих) компонентов смеси. Вероятность потери заряда ионом микропримеси в конкурентных реакциях равна произведению вероятности столкновения иона с частицей мешающей микропримеси и вероятности передачи заряда этой частице. Вероятность передачи заряда пропорциональна константе скорости перезарядочного процесса. Вероятность столкновения пропорциональна концентрации ионов, концентрации частиц мешающей микропримеси и времени. Сканирование же времени между импульсами позволяет выбрать оптимальное время ионизации, когда концентрация ионов микропримеси уже достаточно велика, а времени на перезарядку с частицами мешающих микропримесей недостаточно, что повышает помехоустойчивость.

Литература
1. ЕР Pat N 0135747, G 01 N 30/34, 07.08.84, Bul.85/14.

2. USA Pat. N 5420424, H 01 J 49/40, 49/42, 30.05.95.

Изобретение относится к газовому анализу, предназначено для определения концентрации микропримесей веществ в газовых средах, в частности в атмосферном воздухе. Кроме того, может быть использовано как детектор для газовой хроматографии. Спектрометр нелинейности дрейфа ионов состоит из камеры ионизации, имеющей вход для анализируемого газа и выход для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеры разделения, образованной двумя противолежащими электродами и соединенной по входу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором, генераторов периодического несимметричного по полярности напряжения и медленно меняющегося компенсирующего напряжения, подключенных к электродам камеры разделения, генератора импульсного напряжения с изменяемой частотой следования импульсов, подключенного к электродам камеры ионизации, причем апертура и выход из камеры ионизации могут совпадать. Техническим результатом является расширение динамического диапазона, повышение чувствительности и помехоустойчивости при определении концентрации микропримесей веществ в газах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. 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, образованной двумя противолежащими электродами и соединенной по входу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором, генераторов периодического несимметричного по полярности напряжения и медленно меняющегося компенсирующего напряжения, подключенных к электродам камеры разделения, отличающийся тем, что в спектрометр введен генератор импульсного напряжения с изменяемой частотой следования импульсов, подключенный к электродам камеры ионизации. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что апертура и выход из камеры ионизации совпадают.