УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА СМЕСИ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2004 года по МПК B01D59/48 H05H5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения составов смесей веществ после преобразования веществ в низкотемпературную плазму, например для измерения изотопного состава естественной смеси веществ в широком диапазоне множественности химических элементов, находящихся в виде положительных и отрицательных по знаку электрического заряда ионов.

Известно несколько устройств для определения масс-спектра состава смеси веществ электромагнитным методом. Устройства разработаны в процессе поиска надежных методов разделения изотопов и методов изотопного анализа смесей веществ. Для разделения ионов используют силу Лоренца, действующую на движущиеся в электрическом и магнитном поле ионы, и центробежную силу, действующую на движущиеся по круговой траектории ионы.

Известно устройство для определения масс-спектра состава смеси веществ, в котором разделение ионов, одинаковых по знаку электрического заряда, осуществляется в электрическом и магнитном поле токопроводящих раструбов. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник ионов, сепаратор ионов и приемники ионов. Сепаратор ионов выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит ионов раструбов, установленных один в другом, с совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба. Раструбы снабжены продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, и выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а кольцевой источник ионов размещен вокруг широкой части сепаратора ионов вдоль щелевых прорезей. Приемники ионов выполнены в виде карманов (см. патент РФ №2135270, МПК⁶ В 01 D 59/48, Н 01 J 49/26).

Недостатками описанного устройства является невысокая селективность при разделении ионов по массам вследствие недостаточного расщепления пучков ионов из-за ограниченной возможности разведения аксиальных раструбов и отсутствие возможности одновременного определения состава положительных и отрицательных по знакам электрических зарядов ионов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для определения состава смеси веществ, в котором разделение ионов, одинаковых по знаку электрического заряда, осуществляется в электрическом и магнитном полях несоосных токопроводящих раструбов. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещены источник ионов с отверстием для вывода ионов, основные приемники, изготовленные в виде карманов, и основной сепаратор, выполненный в виде раструбов, сужающихся по дугам орбит ионов и установленных асимметрично один в другом с совмещением в широких частях, при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения к противоположным концам, с образованием зазора между боковыми поверхностями раструбов и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль боковых поверхностей раструбов. Раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Источник ионов состоит из ионизационной камеры и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов. Источник ионов установлен в области совмещения раструбов. Приемники ионов расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов. Щелевые прорези размещены в плоскости симметрии основного сепаратора со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов (см. патент РФ №2174862, МПК⁷ В 01 D 59/48, Н 05 Н 5/00).

Основным недостатком устройства-прототипа является отсутствие возможности одновременного определения состава положительных по знаку электрического заряда ионов и отрицательных по знаку электрического заряда ионов из-за отсутствия необходимых для этого дополнительных элементов.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения возможности одновременного определения состава положительных и отрицательных по знакам электрических зарядов смеси веществ.

Для достижения этого технического результата в устройстве для определения состава смеси веществ, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник ионов с отверстием для вывода ионов, основные приемники, изготовленные в виде карманов, и основной сепаратор, выполненный в виде раструбов, сужающихся по дугам орбит ионов и установленных асимметрично один в другом с совмещением в широких частях, при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения к противоположным концам, с образованием зазора между боковыми поверхностями раструбов и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль боковых поверхностей раструбов в плоскости симметрии основного сепаратора со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, источник ионов установлен в области совмещения раструбов, а приемники ионов расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов, отверстие источника ионов выполнено сквозным для раздельного выхода положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях к основному сепаратору и введенному в устройство дополнительному сепаратору. Устройство также снабжено дополнительными приемниками ионов. Дополнительный сепаратор и дополнительные приемники ионов установлены в вакуумной камере симметрично относительно основного сепаратора и основных приемников ионов. Источник ионов помещен между основным и дополнительным сепараторами в области совмещения раструбов каждого из сепараторов со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов основного и дополнительного сепараторов.

Одновременное определение состава положительных и отрицательных ионов достигается выполнением отверстия источника ионов сквозным для раздельного выхода положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях к основному сепаратору и дополнительному сепаратору, введенному в устройство, наличием введенных в устройство дополнительных приемников ионов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для определения состава смеси веществ, на фиг.2 - вертикальный разрез основного сепаратора ионов, на фиг.3 - вертикальный разрез дополнительного сепаратора ионов, на фиг.4 - вид А фиг.3, на фиг.5 - вид Б фиг.3.

Устройство для определения состава смеси веществ содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник 2 ионов, состоящий из ионизационной камеры 3, формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, снабженный сквозным отверстием с выходами 11, 12, изоляторы 13, основной сепаратор 14 положительных ионов, выполненный в виде раструбов 15, 16 с продольными щелевыми прорезями 17, 18, основные приемники 19, 20 положительных ионов, дополнительный сепаратор 21 отрицательных ионов, выполненный в виде раструбов 22, 23 с продольными щелевыми прорезями 24, 25 и дополнительные приемники 26, 27 отрицательных ионов. Электрод 4 имеет нулевой электрический потенциал, электрод 5 формирует облако положительных ионов, электрод 6 формирует облако отрицательных ионов, электроды 7, 8 формируют вытягивающее электрическое поле для положительных ионов, электроды 9, 10 формируют вытягивающее электрическое поле для отрицательных ионов. Сквозное отверстие источника 2 ионов служит для раздельного выхода 11 положительных ионов и для раздельного выхода 12 отрицательных ионов в противоположных направлениях к сепараторам 14 и 21 соответственно. Раструбы 15 и 16 сужаются по дугам орбит ионов и установлены асимметрично один в другом, с совмещением в широких частях с образованием зазора между боковыми поверхностями. Продольные щелевые прорези 17, 18 размещены вдоль боковых поверхностей раструбов 15, 16. Раструбы 15, 16 выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Приемники 19, 20 легких и тяжелых положительных ионов соответственно расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 15, 16 и изготовлены в виде карманов. Щелевые прорези 17, 18 размещены в плоскости симметрии сепаратора 14 положительных ионов со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 15, 16. Раструбы 22, 23, сужаются по дугам орбит отрицательных ионов и установлены асимметрично один в другом с совмещением в широких частях с образованием зазора между боковыми поверхностями. Продольные щелевые прорези 24, 25 размещены вдоль боковых поверхностей раструбов 22, 23, при этом раструбы 22, 23 выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Источник 2 ионов установлен в области совмещения раструбов 22, 23. Приемники 26, 27 легких и тяжелых отрицательных ионов соответственно расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 22, 23 и изготовлены в виде карманов. Щелевые прорези 24, 25 размещены в плоскости симметрии сепаратора 21 отрицательных ионов со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 22, 23. Сепаратор 21 отрицательных ионов выполнен с возможностью протекания постоянных по направлению электрических токов, формирующих статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения отрицательных ионов. Все раструбы изготовлены из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала. Раструбы 15 и 16, как и раструбы 22 и 23, имеют одинаковые поперечные сечения в начале общей широкой части и имеют различные поперечные сечения в узких частях, расположены друг в друге с совмещением, то есть широкая часть большего раструба 22 совмещена с широкой частью меньшего раструба 23, а широкая часть большего раструба 15 совмещена с широкой частью меньшего раструба 16. Раструб 22 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты легких отрицательных ионов, раструб 23 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты тяжелых отрицательных ионов. Зазор между боковыми поверхностями асимметричных раструбов 22 и 23 в местах расположения продольных щелевых прорезей 24, 25 обеспечивает селективное разделение по массам отрицательных ионов. Зазор между боковыми поверхностями асимметричных раструбов 15 и 16 в местах расположения продольных щелевых прорезей 17, 18 обеспечивает селективное разделение по массам положительных ионов. Сепаратор 21 отрицательных ионов изготовлен также, как и сепаратор 14 положительных ионов. Дополнительный сепаратор 21 отрицательных ионов и дополнительные приемники 26, 27 отрицательных ионов установлены симметрично в вакуумной камере 1 относительно основного сепаратора 14 и основных приемников 19, 20 ионов. Источник 2 ионов помещен между основным сепаратором 14 и дополнительным сепаратором 21, в области совмещения раструбов 15, 16 основного сепаратора 14 и раструбов 22, 23 дополнительного сепаратора 21. Источник 2 ионов помещен со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 15, 16 основного сепаратора 14 и наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 22, 23 дополнительного сепаратора 21.

Для индукции магнитного поля вдоль большего раструба 15 и вдоль меньшего раструба 16 необходимо подать электрические токи в одном направлении. При разделении положительных ионов отрицательный потенциал подается в область совмещения широких частей раструбов 15, 16. Положительные потенциалы на узкие части раструбов 15, 16 подаются в область приемника 19 легких положительных ионов и приемника 20 тяжелых положительных ионов, где выводятся разделенные положительные ионы из сепаратора 14 положительных ионов. Распределение индукции по радиусу сепаратора 14 положительных ионов в зоне разделения положительных ионов таково, что получается поле с расходящимися барьерами магнитной индукции. В сепараторе 21 отрицательных ионов для индукции магнитного поля вдоль большего раструба 22 и вдоль меньшего раструба 23 необходимо подать электрические токи в одном направлении, но противоположном. При разделении отрицательных ионов положительный потенциал подается в область совмещения широких частей раструбов 22, 23. Отрицательные потенциалы на узкие части раструбов 22, 23 подаются в область приемника 26 легких отрицательных ионов и приемника 27 тяжелых отрицательных ионов, где выводятся разделенные отрицательные ионы из сепаратора 21 отрицательных ионов. Распределение индукции по радиусу сепаратора 21 отрицательных ионов в зоне разделения отрицательных ионов дает поле с расходящимися барьерами магнитной индукции для разделения отрицательных ионов.

Предлагаемое устройство для определения состава смеси веществ работает следующим образом.

Источник ионов 2, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, преобразует смесь веществ в низкотемпературную плазму. В ионизационной камере 3 источника 2 ионов происходит нагрев молекул анализируемой смеси веществ и последующая диссоциация молекул на положительные и отрицательные ионы, и ионизация атомов. Затем положительные ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 6, 4, 5, 7, 9 источника 2 ионов и затем через выход 11 сквозного отверстия направляются в сепаратор 14 положительных ионов. Отрицательные ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 5, 4, 6, 8, 10 источника 2 ионов и затем через выход 12 сквозного отверстия направляются в сепаратор 21 отрицательных ионов.

Выведенная из источника 2 ионов через выход 11 сквозного отверстия смесь разделяемых положительных ионов попадает в сепаратор 14 положительных ионов, в пространство между корпусом вакуумной камеры 1 и общей для раструбов 15, 16 широкой их частью, к началам продольных щелевых прорезей 17, 18 в раструбах 15, 16. Принцип работы сепаратора 14 положительных ионов заключается в том, что разделение положительных ионов происходит на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля. Магнитный барьер имеет форму желоба, образованного провалом магнитного поля в продольные щелевые прорези 17, 18. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения раструбов 15, 16 создан электрическими токами, протекающими по раструбам 15, 16, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые положительные ионы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения положительные ионы попадают в область зазора между боковыми поверхностями раструбов 15, 16 в область расхождения щелевых прорезей 17, 18 в раструбах 15, 16, т.е. в область расхождения электрических токов, в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. В сепараторе 14 положительных ионов расхождение магнитных барьеров получено посредством наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 15, 16. Здесь электрическим током по большему раструбу 15 сформирован магнитный барьер такой высоты, и магнитная индукция поддерживается на таком уровне, когда пучок легких положительных ионов остается на орбите, расположенной вдоль большего раструба 15, а пучок тяжелых положительных ионов сходит с орбиты. Пучок тяжелых положительных ионов в этом случае идет сначала по короткому участку прямолинейной траектории, а затем направляется вдоль меньшего раструба 16. Удержание пучка тяжелых положительных ионов на расположенной вдоль меньшего раструба 16 орбите производится другим магнитным барьером. Удержание пучка тяжелых положительных ионов производится достаточным значением магнитной индукции, созданной в большей степени электрическим током, протекающим по меньшему раструбу 16, и в меньшей степени электрическим током, протекающим по большему раструбу 15. Понижение магнитного барьера вдоль меньшего раструба 16 приводит к переходу пучка тяжелых положительных ионов с орбиты, расположенной вдоль меньшего раструба 16, на прямолинейную траекторию. Если требуется положительные ионы перевести с орбиты, расположенной вдоль меньшего раструба 16, на орбиту, расположенную вдоль большего раструба 15, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль большего раструба 15. Выведенная из источника 2 ионов смесь разделяемых отрицательных ионов подается в сепаратор 21 отрицательных ионов. Сепаратор 14 положительных ионов осуществляет расщепление пучков за счет наибольшего расщепления магнитных барьеров, расположенных вдоль щелевых прорезей 17, 18 при асимметричном взаимном положении раструбов 15, 16. Протяженность зоны разделения положительных ионов в таком случае приближена к минимальной протяженности. Сепаратор 21 отрицательных ионов осуществляет расщепление пучков отрицательных ионов за счет наибольшего расщепления магнитных барьеров, расположенных вдоль щелевых прорезей 24, 25 при асимметричном взаимном положении раструбов 22, 23. Протяженность зоны разделения отрицательных ионов в таком случае также приближена к минимальной протяженности.

После сепаратора 14 положительных ионов легкие положительные ионы попадают в приемник 19, а тяжелые положительные ионы попадают в приемник 20, и накапливаются в этих приемниках. Отрицательные же легкие ионы после сепаратора 21 отрицательных ионов попадают в приемник 26, а тяжелые отрицательные ионы попадают в приемник 27, и накапливаются в приемниках. Приемники 19, 20, 26, 27 положительных и отрицательных ионов выполняют функцию электродов в электрических цепях измерения и записи мгновенных ионных токов, а также в электрических цепях измерения и записи суммарных, отрицательных и положительных зарядов, прошедших в каждой ветви электрической цепи.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, значительно повышает возможности одновременного определения состава положительных по знаку электрического заряда ионов и отрицательных по знаку электрического заряда ионов, поскольку использует для определения состава смеси веществ все виды электрических зарядов. В то же время, предлагаемое изобретение расширяет возможности весового способа для определения состава смеси веществ за счет накопления разделенных по массам химических элементов в приемниках ионов.

Изобретение может быть использовано в измерительной технике. Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник ионов 2, изоляторы 13, основной сепаратор 14 положительных ионов, дополнительный сепаратор 21 отрицательных ионов, основные приемники 19, 20 положительных ионов и дополнительные приемники 26, 27 отрицательных ионов. Основной сепаратор 14 выполнен в виде раструбов, установленных один в другом с совмещением в широких частях и образованием зазора между их боковыми поверхностями. Приемники 19, 20 легких и тяжелых положительных ионов расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 15 и 16 и изготовлены в виде карманов. Дополнительный сепаратор 21 аналогично основному сепаратору 14 включает раструбы 22, 23 и приемники 26, 27. Раструбы 15, 16, 22 и 23 выполнены с возможностью протекания постоянных по направлению электрических токов, снабжены щелевыми прорезями. Сепараторы 14 и 21 расположены симметрично. Источник ионов 2 снабжен сквозным отверстием с выходами 11, 12, включает ионизационную камеру 3 и электроды 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10. Электрод 4 имеет нулевой потенциал. Электроды 5 и 6 формируют соответственно облака положительных и отрицательных ионов. Электроды 7, 8 и 9, 10 формируют вытягивающее электрическое поле соответственно для положительных и отрицательных ионов. Выходы 11 и 12 направлены соответственно к сепараторам 14 и 21. Источник ионов 2 размещен между сепараторами 14 и 21 в области совмещения раструбов 15, 16 и 22, 23. Изобретение позволяет разделить изотопы не только по массе, но и по знаку заряда ионов: легкие положительные ионы накапливаются в приемнике 20, тяжелые положительные ионы - в приемнике 21, легкие отрицательные ионы - в приемнике 26, тяжелые отрицательные ионы - в приемнике 27. Количество накопленных ионов каждого вида регистрируется по величине соответствующего ионного тока. 5 ил.

Устройство для определения состава смеси веществ, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник ионов с отверстием для вывода ионов, основные приемники, изготовленные в виде карманов, и основной сепаратор, выполненный в виде раструбов, сужающихся по дугам орбит ионов и установленных асимметрично один в другом с совмещением в широких частях при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения к противоположным концам, с образованием зазора между боковыми поверхностями раструбов и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль боковых поверхностей раструбов в плоскости симметрии основного сепаратора со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, источник ионов установлен в области совмещения раструбов, а приемники ионов расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов, отличающееся тем, что отверстие источника ионов выполнено сквозным для раздельного выхода положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях к основному сепаратору и введенному в устройство дополнительному сепаратору, устройство снабжено дополнительными приемниками ионов, при этом дополнительный сепаратор и дополнительные приемники ионов установлены в вакуумной камере симметрично относительно основного сепаратора и основных приемников ионов, а источник ионов помещен между основным и дополнительным сепараторами в области совмещения раструбов каждого из сепараторов со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов основного и дополнительного сепараторов.