УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ЛАМПА И ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР НА ЕЕ ОСНОВЕ Российский патент 2005 года по МПК H01J61/26 H01J47/02 G01N27/62 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и, в частности, к ультрафиолетовым лампам, излучающим в вакуумной области и используемым в качестве источника ионизации в фотоионизационных газоанализаторах. Изобретение относится также к фотоионизационным газоанализаторам, используемым для измерения вредных веществ в воздухе.

Известна ультрафиолетовая лампа, содержащая герметичный корпус, заполненный газовой смесью, излучающей в вакуумной ультрафиолетовой области, окно для вывода излучения из лампы, выполненное из материала, прозрачного для вакуумного ультрафиолета, приспособление для создания электрического разряда, выполненное в виде электродов, установленных внутри корпуса лампы, снабженных токопроводами, соединенными с источником питания лампы (см., например, патент Германии №4320667, H 01 J 47/02).

Известна также безэлектродная газоразрядная лампа, в которой приспособление для создания разряда внутри корпуса лампы выполнено в виде индуктора, размещенного снаружи корпуса (см., например, Авторское свидетельство №1758708, H 01 J 65/04).

Недостатком известных ультрафиолетовых ламп является то, что интенсивность потока вакуумного ультрафиолетового излучения, испускаемая ими, уменьшается при увеличении влажности окружающего воздуха. Это происходит вследствие поглощения части излучения водяным паром, сорбированным на внешней поверхности окна лампы.

Известен фотоионизационный газоанализатор, содержащий ионизационную камеру, снабженную штуцерами для подвода и вывода анализируемого газа (воздуха), источник ионизации, выполненный в виде ультрафиолетовой лампы, включающей герметичный стеклянный корпус, заполненный газовой смесью, излучающей в вакуумной ультрафиолетовой области, окно для вывода излучения из лампы в ионизационную камеру, выполненное из материала прозрачного для вакуумного ультрафиолета, приспособление для создания разряда внутри корпуса лампы, поляризующий и коллекторный электроды, установленные внутри ионизационной камеры, и микропроцессор для обработки измеряемого сигнала и управления работой газоанализатора (см., например, “Руководство по эксплуатации фотоионизационного газоанализатора КОЛИОН”, Москва, выпуск ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ, 1998).

Недостатком известного фотоионизационного газоанализатора, принятого за прототип, является зависимость его показаний от влажности контролируемого воздуха, приводящая к появлению дополнительной ошибки измерений. Причиной появления ошибки, как выяснилось в результате специальных исследований, является поглощение части вакуумного ультрафиолетового излучения парами воды, сорбированными на внешней поверхности окна лампы, в результате чего уменьшаются показания газоанализатора.

Задача изобретения состояла в разработке ультрафиолетовой лампы и фотоионизационного газоанализатора на ее основе, в которых исключается влияние паров воды, сорбированных на внешней поверхности окна лампы, на поток вакуумного ультрафиолетового излучения, выводимого из лампы в ионизационную камеру газоанализатора.

Указанная задача решается тем, что предложена ультрафиолетовая лампа, содержащая герметичный корпус, заполненный смесью газов, излучающей в вакуумной ультрафиолетовой области, окно для вывода излучения из лампы, выполненное из материала, прозрачного для вакуумного ультрафиолета, и приспособление для создания электрического разряда внутри лампы, которое, согласно изобретению, снабжено нагревательным элементом, служащим для нагрева окна для вывода излучения.

В одном из возможных вариантов выполнения лампы нагревательный элемент выполнен в виде резистора, установленного внутри лампы, в непосредственной близости от окна для вывода излучения, причем резистор снабжен токоподводами, герметично выведенными из корпуса лампы и соединенными с регулируемым источником питания.

В другом возможном варианте выполнения лампы нагревательный элемент выполнен в виде резистивного слоя из токопроводящего материала, нанесенного на вешнюю поверхность окна. При этом в обоих вариантах выполнения лампы нагревательный элемент размещен у края окна лампы вне зоны вывода излучения.

Задача решается также тем, что предложен фотоионизационный газоанализатор, содержащий ионизационную камеру, снабженную штуцерами для подвода и вывода анализируемого газа, источник ионизации, выполненный в виде ультрафиолетовой лампы, включающей герметичный корпус, заполненный смесью, излучающей в вакуумной ультрафиолетовой области, электроды, установленные внутри ионизационной камеры, и микропроцессор для обработки измеряемого сигнала и управления работой газоанализатора, который согласно изобретению, снабжен нагревательным элементом, служащим для нагрева окна ультрафиолетовой лампы. Нагревательный элемент выполнен в виде резистора, размещенного вблизи окна лампы или непосредственно на поверхности окна, причем резистор снабжен токоподводами, соединенными с регулируемым источником питания.

Другим отличием предлагаемого газоанализатора является то, что он снабжен датчиками температуры, один из которых размещен на поверхности окна лампы вне зоны вывода излучения, а другой установлен снаружи корпуса ионизационной камеры, причем выходы датчиков температуры соединены со входами микропроцессора, один из управляющих выходов которого соединен с регулируемым источником питания, соединенным с нагревательным элементом окна лампы.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен продольный разрез варианта выполнения УФ-лампы с нагревательным элементом внутри корпуса.

На фиг.2 изображен вариант выполнения лампы с нагревательным элементом, размещенным на внешней поверхности окна лампы.

На фиг.3 представлен вид в плане на окно лампы с нагревательным элементом, выполненным в виде резистивного слоя.

На фиг.4 частично схематично и частично в разрезе изображен фотоионизационный газоанализатор с использованием предлагаемой УФ-лампы.

Изображенный на фиг.1 вариант выполнения УФ-лампы содержит герметичный корпус 1, заполненный смесью газов, которая в электрическом разряде испускает вакуумное ультрафиолетовое излучение (например, смесью гелия и криптона), окно 2 для вывода излучения, выполненное из материала, пропускающего вакуумный ультрафиолет, например из фторида магния, и приспособление 3 для создания электрического разряда внутри корпуса 1 лампы. Приспособление 3 в данном варианте выполнения лампы содержит электроды 4 и 5, установленные внутри корпуса 1 лампы и закрепленные на цилиндрическом держателе 6, выполненном из электроизоляционного материала. Электроды 4 и 5 снабжены токоподводами 7, герметично выведенными из корпуса 1 лампы и соединенными с источником питания лампы (на фиг.1 не показан). Внутри корпуса 1 лампы в непосредственной близости от окна 2 установлен нагревательный элемент 8, выполненный в виде резистора и снабженный токоподводами 9, герметично выведенными из корпуса 1 лампы, и соединенный с регулируемым источником питания (на фиг.1 не показан). Нагревательный элемент 8 размещен у края окна 2 лампы вне зоны вывода излучения.

Описанный вариант выполнения УФ-лампы работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 4 и 5 от источника питания лампы (на фиг.1 не показан ) внутри корпуса 1 лампы возбуждается электрический разряд, излучающий вакуумное ультрафиолетовое излучение. Если корпус 1 лампы заполнен смесью криптона и гелия, при суммарном давлении 20-50 мбар, то лампа излучает в вакуумной ультрафиолетовой области резонансные линии криптона с длинами волн 123,6 нм и 116,5 нм. Это излучение выводится наружу через окно 2 и производит ионизацию примесей. Для того чтобы исключить сорбцию паров воды и поглощение ими вакуумного ультрафиолетового излучения, окно нагревают с помощью нагревательного элемента 8 до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха.

Изображенный на фиг.2 вариант выполнения УФ-лампы отличается от описанного выше тем, что нагревательный элемент 8 выполнен в виде резистивного слоя из токопроводящего материала (см. фиг.3), нанесенного на внешнюю поверхность окна 2. При этом в качестве приспособления 3 для создания разряда внутри корпуса 1 лампы используется индуктор (вариант без электродной лампы). Этот вариант выполнения лампы работает аналогично варианту, изображенному на фиг.1.

Фотоионизационный газоанализатор на основе описанной УФ-лампы содержит (см. фиг.4) ионизационную камеру 10, снабженную штуцерами 11 и 12 для подвода и вывода анализируемого газа (воздуха), и источник 13 ионизации, выполненный в виде УФ-лампы, включающей герметичный корпус 1, заполненный смесью газов, которая в электрическом разряде испускает вакуумное ультрафиолетовое излучения, окно 2 для вывода излучения из лампы 13 в ионизационную камеру 10, выполненное из материала, пропускающего вакуумный ультрафиолет (например, из фторида магния), приспособление для создания электрического разряда внутри корпуса 1 лампы 13, включающее электроды 4 и 5, закрепленные на держателе 6, выполненном из электроизоляционного материала, и снабженное токоподводами 7, соединенными с источником 14 питания УФ-лампы 13. Внутри корпуса 1 лампы 13 в непосредственной близости от окна 2 установлен нагревательный элемент 8, выполненный в виде резистора, снабженный токоподводами 9, соединенными с регулируемым источником 15 питания. Внутри ионизационной камеры 10 установлены поляризующий электрод 16, соединенный с источником питания (на фиг.4 не показан ) и коллекторный электрод 17, соединенный с электрометрическим усилителем 18.

Газоанализатор снабжен микропроцессором 19, предназначенным для обработки измеряемого сигнала и управления работой газоанализатора.

В ионизационной камере 10 на поверхности окна 2 для вывода излучения из лампы 13 установлен датчик 20 температуры, размещенный на краю окна 2 вне зоны вывода излучения и предназначенный для контроля температуры окна 2. Аналогичный датчик 21 температуры установлен снаружи корпуса ионизационной камеры 10 и предназначен для контроля температуры окружающего воздуха. Выходы датчиков 20 и 21 температуры соединены с входами микропроцессора 19, один из управляющих выходов которого соединен с регулируемым источником 15 питания, соединенным с нагревательным элементом 8 окна 2 лампы 13. Ионизационная камера 10 соединена с побудителем 22 расхода газа (воздуха), через штуцер 12 для вывода анализируемого газа (воздуха).

Газоанализатор работает следующим образом.

Излучение лампы 13 через окно 2 вводится в ионизационную камеру 10, в которую под действием побудителя 22 расхода через штуцер 11 поступает воздух, содержащий вредные примеси (контролируемые вещества). Примеси ионизируются под действием вакуумного ультрафиолетового излучения лампы 13. При этом компоненты нормального воздуха - азот, кислород, углекислый газ остаются в виде молекул, поскольку энергии излучения недостаточно для их ионизации. Образовавшиеся в результате ионизации заряженные частицы, двигаясь к электродам 16 и 17, создают электрический ток, величина которого является мерой суммарной концентрации примесей в воздухе. После усиления тока электрометрическим усилителем 18 полученный сигнал поступает в микропроцессор 19, который производит обработку сигнала и формирует значение концентрации примесей, отображаемое затем выходным устройством (на фиг.4 не показано). На входы микропроцессора 19 поступают также сигналы от датчиков 20 и 21 температуры. Микропроцессор 19 определяет разницу между показаниями датчиков 20 и 21 и сравнивает эту разницу с заданным значением, хранящимся в памяти микропроцессора. Для того чтобы избежать сорбции водяного пара на поверхности окна 2 лампы 13, температура поверхности окна 2, фиксируемая датчиком 20 температуры, должна превышать температуру окружающего воздуха, фиксируемую датчиком 21 температуры, на 10-20 градусов Цельсия. При отклонении измеренного значения разницы температур от заданной микропроцессор 19 формирует сигнал, который через управляющий выход, поступает на регулируемый источник 15 питания нагревательного элемента 8. Нагрев окна 2 нагревательным элементом 8 производится до тех пор, пока измеренная разница температур, регистрируемая датчиками 20 и 21, не станет равна заданной. Таким образом температура поверхности окна 2 УФ-лампы 13 превышает температуру окружающего воздуха на заданную величину независимо от условий применения газоанализатора. Это препятствует сорбции паров воды на внешней поверхности окна 2 УФ-лампы 13 и тем самым исключает ошибки измерений, связанные с поглощением части вакуумного ультрафиолетового излучения сорбированными на поверхности окна 2 парами воды.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и, в частности, к ультрафиолетовым (УФ) лампам, и фотоионизационным газоанализаторам на их основе. Технический результат - снижение потребляемой мощности и уменьшение габаритов лампы. УФ-лампа содержит герметичный корпус, заполненный смесью газов, излучающая в вакуумной ультрафиолетовой области, и приспособление для создания разряда внутри лампы. В корпусе лампы установлен нагревательный элемент, служащий для нагрева окна для вывода излучения. Фотоионизационный газоанализатор содержит ионизационную камеру со штуцером для подвода анализируемого газа (воздуха), источник ионизации, выполненный в виде УФ-лампы, электроды, установленные внутри ионизационной камеры, и микропроцессор для обработки измеряемого сигнала и управления работой газоанализатора. Нагревательный элемент, служащий для нагрева окна лампы, выполнен в виде резистора, размещенного вблизи окна лампы или непосредственно на внутренней поверхности окна, а также датчиками температуры, один из которых размещен на поверхности окна лампы, и снаружи корпуса ионизационной камеры установлены датчики температуры. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ультрафиолетовая лампа, содержащая герметичный корпус, заполненный смесью криптона и гелия при суммарном давлении 20-50 мбар, приспособление для создания разряда внутри корпуса, окно для вывода ультрафиолетового (УФ) излучения и резистивный нагревательный элемент, отличающаяся тем, что резистивный нагревательный элемент установлен внутри корпуса лампы в непосредственной близости от окна для вывода УФ излучения.2. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент размещен у края окна лампы, вне зоны для вывода излучения.3. Газоанализатор, содержащий измерительную камеру, снабженную штуцерами для подвода и вывода анализируемого газа, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в камере, источник излучения, выполненный в виде ультрафиолетовой лампы, включающей герметичный корпус, заполненный смесью криптона и гелия при суммарном давлении 20-50 мбар, приспособлении для создания разряда внутри корпуса, окно для вывода УФ излучения из лампы, резистивный нагревательный элемент, регулируемый источник питания и микропроцессор для обработки измеряемого сигнала и управления работой газоанализатора, отличающийся тем, что резистивный нагревательный элемент установлен внутри лампы в непосредственной близости от окна для вывода УФ излучения.4. Газоанализатор по п.3, отличающийся тем, что он снабжен датчиками температуры, один из которых размещен на внешней поверхности окна лампы вне зоны вывода УФ излучения, а другой установлен снаружи корпуса измерительной камеры, причем выходы датчиков температуры соединены со входом микропроцессора, один из управляющих выходов которого соединен с регулируемым источником питания, соединенным с резистивным нагревательным элементом.