УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N27/64 

Изобретение относится к технике измерения спектров подвижности ионов и может быть использовано для контроля содержания в воздухе отравляющих и взрывчатых веществ, наркотиков, лекарств и других примесей.

Известно устройство для измерения спектров подвижности ионов (патент США 4797554 "Ion mobility spectrometer", опубл. 10.01.89), содержащее реакторную камеру, включающую впускной шлюз для забора пробы исследуемого газа и источник ионизирующего излучения, протяженную камеру дрейфа, соединенную с реакторной камерой и содержащую коллекторный электрод, запирающий сеточный электрод, размещенный между реакторной камерой и камерой дрейфа, детектор подвижности ионов, соединенный с коллекторным электродом, коммутатор, электрически соединенный с запирающим сеточным электродом, а также блок управления и индикации, электрически соединенный с коммутатором и выходом детектора подвижности ионов. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения спектров.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным за прототип является устройство для измерения спектров подвижности ионов (патент США 5200614 "Ion mobility spectrometer", опубл. 06.04.93), содержащее управляемый источник высокого напряжения, реакторную камеру, включающую впускной шлюз для забора пробы исследуемого газа и источник ионизирующего излучения, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, протяженную камеру дрейфа, соединенную с реакторной камерой и содержащую последовательно расположенные первый сеточный электрод, размещенный между реакторной камерой и камерой дрейфа и электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, экранный сеточный электрод, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, и коллекторный электрод, а также блок управления и индикации, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения и коллекторным электродом.

Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений. Кроме того, описанная в прототипе конструкция является работоспособной только в случае, если пары пробы исследуемого газа до попадания в реакторную камеру смешивают с чистым газом определенного типа (например, азотом или гелием). Необходимость использования дополнительного газа-носителя усложняет конструкцию прототипа и является его дополнительным недостатком.

Как известно, точность определения качественного состава газа, исследуемого методом спектроскопии ионной подвижности, непосредственно связана с чувствительностью и спектральной селективностью измерительного устройства. При проведении исследований классическая схема эксперимента, реализованная в аналоге, предопределяет необходимость ввода исследуемых ионов, созданных в реакторной камере источником ионизирующего излучения, в камеру дрейфа за счет кратковременного снятия "запирающего" напряжения с сеточного электрода, разделяющего реакторную камеру и камеру дрейфа, а также последующую регистрацию временной диаграммы тока коллекторного электрода. Метод измерений подразумевает сокращение продолжительности процедуры ввода ионов в камеру дрейфа до минимально возможной длительности, при этом спектральная селективность стремится к пределу, определяемому конструктивными параметрами измерительного устройства. Однако очевидным является тот факт, что сокращение продолжительности ввода ионов в камеру дрейфа приводит к уменьшению чувствительности измерений, т.к. за более короткое время в камеру дрейфа без применения дополнительных приспособлений будет доставлено меньшее количество ионов анализируемого вещества. Устройство прототипа является более совершенным по сравнению с аналогом. В нем предусмотрено наличие дополнительного сеточного электрода, установленного в камере дрейфа вблизи сеточного электрода, разделяющего реакторную камеру и камеру дрейфа, и возможность реализации режима инжекции ионов и электронов в камеру дрейфа за счет подачи на сеточный электрод, разделяющий реакторную камеру и камеру дрейфа, "смещающего" потенциала относительно дополнительного сеточного электрода и периодического приложения к нему кратковременного "ускоряющего" напряжения. Конструкция прототипа предусматривает повышение чувствительности измерений, однако возникающее при этом присутствие в камере дрейфа посторонних по отношению к исследуемым ионам заряженных частиц (электронов) усложняет расшифровку регистрируемых спектров, снижает достоверность измерений.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности измерений. В заявляемом изобретении данная задача решается за счет достижения технического результата, состоящего в одновременном повышении чувствительности и спектральной селективности измерений.

Указанный технический результат достигается в устройстве для измерения спектров подвижности ионов, содержащем управляемый источник высокого напряжения, реакторную камеру, включающую впускной шлюз для забора пробы воздуха и источник ионизирующего излучения, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, протяженную камеру дрейфа, соединенную с реакторной камерой и содержащую последовательно расположенные первый сеточный электрод, размещенный между реакторной камерой и камерой дрейфа и электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, экранный сеточный электрод, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, и коллекторный электрод, а также блок управления и индикации, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения и коллекторным электродом, за счет дополнительного размещения электрически соединенных с управляемым источником высокого напряжения второго и третьего сеточных электродов таким образом, что второй сеточный электрод расположен внутри реакторной камеры на расстоянии 5-10 мм от первого сеточного электрода, а третий сеточный электрод установлен в камере дрейфа на расстоянии (0.3-0.5)L от первого сеточного электрода, где L - расстояние между первым сеточным электродом и коллекторным электродом.

Кроме того, первый и третий сеточный электроды могут быть выполнены в виде двухсекционных межпальцевых электродов, причем каждая из секций этих электродов электрически соединена с управляемым источником высокого напряжения и напряжение между секциями может изменяться в диапазоне 0-200 В. Подобный вариант конструктивного исполнения первого и третьего сеточных электродов обеспечивает минимальные искажения пространственного распределения электрического поля в камере дрейфа во время работы устройства, что в свою очередь также способствует повышению точности измерений.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства, на фиг.2 приведены пространственные диаграммы напряжений на электродах в различных фазах работы устройства, а на фиг.3 показана временная диаграма фаз работы устройства.

На фиг.1 показаны: реакторная камера (1) и расположенные в ней впускной шлюз (2) и выполненный в виде цилиндра источник ионизирующего излучения (3); камера дрейфа (4) и установленный в ней первый сеточный электрод (5), экранный сеточный электрод (6) и коллекторный электрод (7); второй сеточный электрод (8), установленный внутри реакторной камеры (1) на расстоянии 5-10 мм от первого сеточного электрода (5); третий сеточный электрод (9), установленный внутри камеры дрейфа (4) на расстоянии (0.3-0.5)L от первого сеточного электрода (5), где L - расстояние между первым сеточным электродом (5) и коллекторным электродом (7); управляемый источник высокого напряжения (10), электрически соединенный с источником ионизирующего излучения (3), вторым сеточным электродом (8), первым сеточным электродом (5), третьим сеточным электродом (9) и экранным сеточным электродом (6); а также блок управления и индикации (11), соединенный с коллекторным электродом (7) и управляемым источником высокого напряжения (10). Блок управления и индикации (11) заявляемого устройства обеспечивает формирование управляющих сигналов для управляемого источника высокого напряжения (10), а также осуществляет индикацию результата работы устройства по поступлению сигнала с выхода коллекторного электрода (7).

Заявляемое устройство работает следующим образом. (Здесь и далее будем рассматривать работу устройства в отношении определения отрицательно заряженных ионов, хотя без ограничения общности заявляемая конструкция может быть использована также для анализа ионов противоположной полярности). Пробу исследуемого газа подают в реакторную камеру (1) через впускной шлюз (2). Затем под действием источника ионизирующего излучения (3) в реакторной камере (1) формируются ионы. По длине всей трубки устройства от источника ионизирующего излучения (3) до коллекторного электрода (7) высокое напряжение падает примерно линейно от значений 4-5 кВ на держателе источника ионизирующего излучения до 150-200 В на экранном сеточном электроде (6). При этом на первый и третий сеточные электроды (5) и (9), выполненные, например, в виде двухсекционных межпальцевых электродов таким образом, что каждая из секций этих электродов электрически соединена с управляемым источником высокого напряжения (10), подаются напряжения, обеспечивающие запирание ионного тока. На втором сеточном электроде (8) напряжение несколько выше, чем на первом сеточном электроде (5), поэтому ионный ток от источника ионизирующего излучения (3) постоянно протекает сквозь второй сеточный электрод (8) и прерывается первым сеточным электродом (5). Это состояние работы устройства соответствует фазе 1. Диаграмма напряжений на электродах во время фазы 1 показана на фиг.2, а продолжительность фазы 1 составляет 5-15 мс. Во время фазы 2 работы устройства по команде, поступающей из блока управления и индикации (11), управляемый источник высокого напряжения (10) формирует импульс высокого напряжения, который, во-первых, снимает запирающее напряжение с первого сеточного электрода (5), а во-вторых, повышает напряжение на втором сеточном электроде (8). Длительность этого импульса и фазы 2 составляет 0.1-0.5 мс. Во время подачи на сеточные электроды (5) и (8) высоковольтного импульса происходит эффективная инжекция ионов в камеру дрейфа (4). Амплитуду импульса напряжения, подаваемого на второй сеточный электрод (8), обычно подбирают экспериментально. Чувствительность устройства, а следовательно, и точность измерений повышается за счет увеличения числа инжектируемых в камеру дрейфа (4) исследуемых ионов.

Для повышения точности измерений за счет повышения спектральной селективности устройства в заявляемом устройстве предложено использовать третий сеточный электрод (9), установленный в камере дрейфа (4). Потенциал напряжения на третьем сеточном электроде (9) во время фазы 1 и фазы 2 работы устройства поддерживают на уровне, обеспечивающем надежное "запирание" коллекторного электрода в отношении инжектированных в камеру дрейфа ионов. Через промежуток времени Т после подачи импульсов высокого напряжения на первый (5) и второй (8) сеточные электроды и окончания фазы 2 работы устройства импульс высокого напряжения с выхода управляемого источника высокого напряжения (10) поступает на третий сеточный электрод (9). Причем полярность и амплитуда импульса напряжения, подаваемого на третий сеточный электрод (9), соответствует снятию с него "запирающего" потенциала. Длительность импульса напряжения, подаваемого на третий сеточный электрод (9), и продолжительность фазы 3 работы устройства, соответственно, составляет 0.05-0.1 мс. По окончании фазы 3 устройство возвращается в состояние, соответствующее фазе 1 (см. фиг. 3). Спектр подвижности ионов определяют по временной диаграмме коллекторного тока, регистрируемого блоком управления и индикации (11).

Как показывают экспериментальные исследования, использование третьего сеточного электрода (9) в режиме стробирования потока ионов, движущихся вдоль камеры дрейфа (4) по направлению к коллекторному электроду (7) с задержкой относительно импульса напряжения, подаваемого на первый сеточный электрод (5), запирающий камеру дрейфа (4), позволяет в несколько раз повысить спектральную селективность измерений в сложных смесях.

Для получения дополнительной информации о спектре подвижности ионов величина задержки Т может быть переменной.

Таким образом, в заявляемом устройстве за счет использования дополнительных сеточных электродов обеспечено повышение точности измерений в результате увеличения чувствительности и спектральной селективности.

Использование: изобретение может быть использовано для контроля содержания в воздухе отравляющих и взрывчатых веществ, наркотиков, лекарств и других примесей. Сущность изобретения: предложено устройство для измерения спектров подвижности ионов, содержащее управляемый источник высокого напряжения, реакторную камеру, включающую впускной шлюз для забора пробы воздуха и источник ионизирующего излучения, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, протяженную камеру дрейфа, соединенную с реакторной камерой и содержащую последовательно расположенные первый сеточный электрод, размещенный между реакторной камерой и камерой дрейфа и электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, экранный сеточный электрод, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, и коллекторный электрод, а также блок управления и индикации, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения и коллекторным электродом. Устройство дополнительно содержит второй сеточный электрод, размещенный внутри реакторной камеры, и третий сеточный электрод, размещенный в камере дрейфа, причем второй и третий сеточные электроды электрически соединены с управляемым источником высокого напряжения. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности и спектральной селективности измерений. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения спектров подвижности ионов, содержащее управляемый источник высокого напряжения, реакторную камеру, включающую впускной шлюз для забора пробы воздуха и источник ионизирующего излучения, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, протяженную камеру дрейфа, соединенную с реакторной камерой и содержащую последовательно расположенные первый сеточный электрод, размещенный между реакторной камерой и камерой дрейфа и электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, экранный сеточный электрод, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения, и коллекторный электрод, а также блок управления и индикации, электрически соединенный с управляемым источником высокого напряжения и коллекторным электродом, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй сеточный электрод, размещенный внутри реакторной камеры на расстоянии 5-10 мм от первого сеточного электрода, и третий сеточный электрод, размещенный в камере дрейфа на расстоянии (0,3-0,5)L от первого сеточного электрода, где L - расстояние между первым сеточным электродом и коллекторным электродом, причем второй и третий сеточные электроды электрически соединены с управляемым источником высокого напряжения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый и третий сеточный электроды выполнены в виде двухсекционных межпальцевых электродов, причем каждая из секций этих электродов электрически соединена с управляемым источником высокого напряжения.