СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ В ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЕ АНАЛИЗАТОРА СОСТАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может найти применение в таких анализаторах состава газа, как электронозахватный детектор (ЭЗД), спектрометр ионной подвижности или масс-спектрометр, в которых используются отрицательные ионы.

Известен способ получения отрицательных ионов в ЭЗД, при котором электроны, испускаемые нерадиоактивным источником электронов (термоэмиттером), проникают через отверстие в мембране, отделяющей камеру, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, от ионизационной камеры ЭЗД, куда подают газ, содержащий анализируемые электроноакцепторные вещества, например, галогенсодержащие соединения (см. з-ку ЕР 0015495 А1, МПК G 01 N 27/61). Устройство для осуществления этого способа содержит две камеры, отделенные друг от друга мембраной с отверстиями, причем в одной из камер установлен нерадиоактивный источник электронов (термоэмиттер) и она снабжена трубопроводом для подвода и вывода газа, содержащего анализируемые вещества (см. там же).

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является нестабильная работа, обусловленная загрязнением поверхности термоэмиттера анализируемыми веществами, которые проникают через отверстие в мембране в камеру, где установлен термоэмиттер.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения отрицательных ионов в ионизационной камере анализатора состава газа, при котором пучок электронов, сформированный в вакуумированном пространстве и ускоренный под действием ускоряющего напряжения, направляют на мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющую вакуумированное пространство от ионизационной камеры, в которую подают газ, содержащий электроноакцепторные вещества. При этом ускоряющее напряжение и толщину мембраны выбирают таким, чтобы электроны проходили через мембрану в ионизационную камеру без заметного их поглощения в материале мембраны (см. патент РФ 2141657, МПК G 01 N 30/70, 1999). Электроны, имеющие энергии 20-25 кэВ, производят в ионизационной камере несколько десятков ионизаций, пока не теряют свою энергию. При этом образуются свободные электроны, которые, прилипая к молекулам электроотрицательного вещества, создают отрицательные ионы.

Устройство для осуществления известного способа содержит вакуумированную камеру, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющую вакумированную камеру от ионизационной камеры, электроды для создания ускоряющего напряжения, установленные в вакуумированной камере, коллекторный электрод, установленный в ионизационной камере, и трубопроводы для подвода и вывода газа, соединенные с ионизационной камерой (см. там же).

Известный способ получения отрицательных ионов и устройство для его осуществления, принятые за прототип, обеспечивают стабильную работу анализатора состава в течение длительного времени. Однако для их реализации требуется использование высоковольтных источников постоянного напряжения (20-25 кВ), необходимых для ускорения потока электронов в вакуумированной камере до энергии, достаточной для проникновения электронов через мембрану, отделяющую вакуумированную камеру от ионизационной камеры. Это усложняет конструкцию анализатора состава и затрудняет его использование в качестве анализатора состава переносного типа.

Задача изобретения состояла в разработке такого способа получения отрицательных ионов и устройства для его осуществления, которые не требуют применения высоковольтных источников напряжения.

Указанная задача решается тем, что предложен способ получения отрицательных ионов в ионизационной камере анализатора состава газа, при котором пучок электронов, сформированный в вакуумированном пространстве и ускоренный под воздействием приложенного напряжения, направляют на мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющую вакуумированное пространство от ионизационной камеры, в которую подают газ, содержащий электроноакцепторные вещества, в котором согласно изобретению для ионизации электроноакцепторных веществ используют термоэлектроны, испускаемые поверхностью части мембраны, нагретой пучком электронов, направляемых из вакуумированного пространства на нагреваемый участок мембраны. При этом удельную мощность (Р) пучка электронов, направляемых из вакуумированного пространства на нагреваемый участок мембраны, выбирают из условия 0,01 Вт/см²<Р<1 Вт/см².

Другим отличием предлагаемого способа является то, что ускоряющее напряжение (U), используемое для ускорения пучка электронов в вакуумированном пространстве, выбирают из условия: 10 В<U<2000 В.

Еще одним отличием предлагаемого способа является то, что нагрев участка мембраны осуществляют до температуры (Т), выбираемой из условия: 500^oС<Т<Т_пл, где Т_пл - температура плавления материала мембраны.

Задача решается также тем, что предложено устройство для получения отрицательных ионов в ионизационной камере анализатора состава газа, содержащее вакуумированную камеру, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющую вакуумированную камеру от ионизационной камеры, источник ускоряющего напряжения, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в ионизационной камере, и трубопроводы для подвода и вывода газа, соединенные с ионизационной камерой, в котором согласно изобретению мембрана, отделяющая вакуумированную камеру от ионизационной камеры, содержит по меньшей мере два слоя, выполненных из различных материалов. Причем один слой мембраны выполнен из диэлектрика, а второй слой, покрывающий поверхность первого слоя со стороны ионизационной камеры, выполнен из металла.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что толщина слоя диэлектрика (L) в мембране выбрана из условия L>λ, где λ- длина свободного пробега электронов в диэлектрике в диапазоне ускоряющих напряжений в вакуумированной камере.

Дополнительным отличием предлагаемого устройства является то, что в качестве диэлектрика выбрана корундовая керамика (Аl₂О₃).

В предпочтительном варианте выполнения устройства в качестве диэлектрика выбрана слюда.

Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что в качестве металла, покрывающего слой диэлектрика, использован металл, не образующий химических соединений при высоких температурах на воздухе.

В предпочтительном варианте выполнения устройства в качестве металла, покрывающего слой диэлектрика, использован металл, выбранный из группы, состоящей из Os, Ir, Rh, причем толщина металлического слоя составляет 0,005-0,02 мкм.

В числе отличий предлагаемого устройства следует отметить то, что центральный участок мембраны, на который направлен поток электронов, имеет толщину, меньшую толщины остальной части мембраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен ЭЗД, использующий предлагаемый способ получения отрицательных ионов.

На фиг. 2 изображена в поперечном сечении мембрана, отделяющая вакуумированное пространство от ионизационной камеры.

ЭЗД, использующий предлагаемый способ получения отрицательных ионов, содержит вакуумированную камеру 1, в которой размещен нерадиоактивный источник 2 электронов, установленный на выводах 3 и выполненный в виде термоэмиттера, включенного в цепь накала источника 4 питания накала. Нерадиоактивный источник 2 электронов подключен также к источнику 5 ускоряющего напряжения.

Вакуумированная камера 1 выполнена из электровакуумного стекла и в своей части, обращенной к источнику 2 электронов, снабжена фланцем 6, выполненным из того же стекла, на котором герметично закреплена мембрана 7, выполненная из слюды, на которую направлен пучок электронов от источника 2, ускоряемый под действием ускоряющего напряжения, создаваемого источником 5 ускоряющего напряжения. Внешняя поверхность фланца 6 и мембраны 7 покрыты слоем 8 металла, например осмия или родия, толщиной 0,01 мкм, который заземлен.

ЭЗД содержит выполненную из металла ионизационную камеру 9, имеющую в своей торцевой части фланец 10, герметично примыкающий к фланцу 6 вакуумированной камеры 1. В ионизационной камере 9 установлен коллекторный электрод 11, соединенный с электрометрическим усилителем 12 и поляризующий электрод 13, соединенный с источником поляризующего напряжения 14. Для изоляции электродов 11 и 13 от ионизационной камеры 9 использованы изоляторы 15 и 16 соответственно. Ионизационная камера снабжена трубопроводами 17 и 18 для подвода и вывода газа, содержащего электроноакцепторные вещества (например, галогенсодержащие соединения).

В соответствии с предлагаемым способом описанное устройство работает следующим образом. Под действием напряжения накала нерадиоактивный источник 2 электронов испускает термоэлектроны, которые ускоряются под действием напряжения, приложенного к источнику 2 электронов, и направляются на центральную часть мембраны 7, отделяющей вакуумированное пространство камеры 1 от ионизационной камеры 9 ЭЗД. При этом ускоряющее напряжение, прикладываемое к источнику 2 электронов, выбирают в интервале значений от 10 до 2000 В таким образом, чтобы удельная мощность пучка электронов составляла от 0,01 Вт/см² до 1,0 Вт/см². Поскольку толщина мембраны 7 существенно превышает длину свободного пробега λ в материале мембраны 7, то вся энергия потока электронов, падающих на центральную часть мембраны, поглощается, что приводит к ее нагреву до температуры, при которой слой 8 металла (осмия), покрывающий мембрану 7, начинает испускать термоэлектроны, поступающие в ионизационную камеру 9 и прилипающие к молекулам электроноакцепторных веществ, вводимых в ионизационную камеру 9 с потоком газа через трубопровод 17.

В период подготовки устройства к работе температуру мембраны 7 контролируют с помощью термопары (на фиг. не показана) так, чтобы верхний ее предел не превышал температуру плавления материала мембраны. Исходя из этого условия осуществляют выбор ускоряющего напряжения источника 5.

Мембрана 7 (см. фиг.2) в предпочтительном варианте имеет три слоя, выполненные из различных материалов. Центральный слой 19 мембраны выполнен из диэлектрика, например, корундовой керамики (Аl₂О₃), внешний по отношению к источнику 2 нерадиоактивных электронов слой 20 выполнен из металла, имеющего небольшую работу выхода и не образующего химических соединений на воздухе при высоких температурах (1000-1500^oС). Такими металлами могут быть осмий (Os), иридий (lr) и родий (Rh). Внутренний по отношению к источнику 2 нерадиоактивных электронов слой 21 может быть выполнен из платины. Центральный слой 19 в своей центральной части имеет толщину, меньшую толщины остальной ее части. Слои 20 и 21 соединены электрически между собой с помощью кольцевой металлической, например, платиновой перемычки 22.

Работа описанного варианта выполнения мембраны 7 характеризуется тем, что, поскольку центральный слой выполнен из корундовой керамики, температура ее нагрева может составлять 1700^oС. Такую же температуру будут иметь внутренний 21 и внешний 20 по отношению к нерадиоактивному источнику 2 электронов слои. Выход термоэлектронов из внешнего слоя 20 будем высоким. Что важно, например, для увеличения фонового тока ЭЗД.

Использование: в анализаторах химического состава, таких как электронозахватный детектор, спектрометр ионной подвижности или масс-спектрометр. Сущность: в способе получения отрицательных ионов в ионизационной камере анализатора состава пучок электронов, сформированный в вакуумированном пространстве и ускоренный под воздействием приложенного напряжения, направляют на мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющего вакуумированное пространство от ионизационной камеры. При этом для ионизации электроноакцепторных веществ в ионизационной камере используют пучок термоэлектронов, испускаемых поверхностью части мембраны, нагретой пучком электронов, направляемых из вакуумированного пространства на нагреваемый участок мембраны. Удельную мощность (Р) пучка электронов, направляемых на нагреваемый участок мембраны, выбирают из условия 0,01 Вт/см² <Р <1,0 Вт/см². Устройство для осуществления способа содержит вакуумированную камеру, в которой установлены нерадиоактивный источник электронов, мембрана, отделяющая вакуумированную камеру от ионизационной камеры. Указанная мембрана содержит по меньшей мере два слоя, выполненных из различных материалов, причем один слой выполнен из диэлектрика, например Аl₂О₃, а другой слой, покрывающий поверхность первого слоя со стороны ионизационной камеры, выполнен из металла, не образующего химических соединений при высоких температурах на воздухе, например Os, причем толщина металлического слоя составляет 0,005-0,02 мкм. Технический результат изобретения заключается в разработке таких способа получения отрицательных ионов и устройства для его осуществления, которые не требуют применения высоковольтных источников напряжения. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения отрицательных ионов в ионизационной камере анализатора состава газа, при котором пучок электронов, сформированный в вакуумированном пространстве и ускоренный под действием ускоряющего напряжения, направляют на мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющую вакуумированное пространство от ионизационной камеры, в которую подают газ, содержащий электроноакцепторные вещества, отличающийся тем, что для ионизации электроноакцепторных веществ используют поток термоэлектронов, испускаемых поверхностью части мембраны, нагретой пучком электронов, направляемых из вакуумированного пространства на нагреваемый участок мембраны. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удельную мощность (Р) пучка электронов, направляемых из вакуумированного пространства на нагреваемый участок мембраны, выбирают из условия 0,01 Вт/см² < Р < 1,0 Вт/см². 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что ускоряющее напряжение (U), используемое для ускорения пучка электронов в вакуумированном пространстве, выбирают из условия 10 В < U < 2000 В. 4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что нагрев участка мембраны осуществляется до температуры (Т), выбираемой из условия 500^oС < Т < Т_пл, где Т_пл - температура плавления материала мембраны. 5. Устройство для получения отрицательных ионов в ионизационной камере анализатора состава, содержащее вакуумированную камеру, в которой установлен нерадиоактивный источник электронов, мембрану из газонепроницаемого материала, отделяющую вакуумированную камеру от ионизационной камеры, источник ускоряющего напряжения, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в ионизационной камере, и трубопроводы для подвода и вывода газа, соединенные с ионизационной камерой, отличающееся тем, что мембрана, отделяющая вакуумированную камеру от ионизационной камеры, содержит по меньшей мере два слоя, выполненных из различных материалов, причем один слой мембраны выполнен из диэлектрика, а второй слой, покрывающий поверхность первого слоя со стороны ионизационной камеры, выполнен из металла. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что толщина слоя (L) диэлектрика в мембране выбрана из условия L>λ, где λ - длина свободного пробега электронов в диэлектрике в диапазоне ускоряющих напряжений в вакуумированной камере. 7. Устройство по п. 5 или 6, отличающееся тем, что в качестве диэлектрика выбрана корундовая керамика (Аl₂О₃). 8. Устройство по п. 5 или 6, отличающееся тем, что в качестве диэлектрика выбрана слюда. 9. Устройство по п. 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что в качестве металла, покрывающего слой диэлектрика, использован металл, не образующий химических соединений при высоких температурах на воздухе. 10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в качестве металла, покрывающего слой диэлектрика, использован металл, выбранный из группы, состоящей из Оs, Ir, Rh, причем толщина металлического слоя составляет 0,005-0,02 мкм. 11. Устройство по п. 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающееся тем, что центральный участок мембраны, на который направлен поток электронов, имеет толщину, меньшую толщины остальной части мембраны.