СПЕКТРОМЕТР ДРЕЙФОВОЙ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения для целей газового анализа, а более конкретно к дрейф-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха атмосферного давления, в частности, для обнаружения паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ в составе воздуха, прокачиваемого через прибор.

Известен спектрометр дрейфовой подвижности ионов для обнаружения паров органических веществ в воздухе [1], содержащий расположенные последовательно по направлению прокачки воздуха через спектрометр: устройство для ионизации паров органических веществ в воздухе на основе радиоизотопного источника излучения, устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, образованное двумя коаксиальными цилиндрическими электродами, и устройство для сбора ионов, состоящее из коллектора ионов и электрода для регулирования тока ионов.

Основными недостатками известного устройства являются его значительные габаритные размеры, существенно превосходящие полезную длину собственно устройства для разделения ионов, низкая разрешающая способность, обусловленная малыми радиусами кривизны электродов устройства для разделения ионов и, соответственно, сильной неоднородностью электрических полей в зазоре между электродами данного устройства, низкая эффективность ионизации органических молекул «на протоке» через устройство ионизации, имеющее малую протяженность, невозможность по конструктивным причинам использования различных типов сменных источников ионизации, оптимальных для ионизации конкретных типов органических молекул.

Наиболее близким к заявленному изобретению является спектрометр дрейфовой подвижности ионов [2], включающий входной штуцер с каналом для забора анализируемого воздуха, источник ионов, содержащий эмиттер ионов с плоской активной поверхностью диаметром D и электрод для контроля ионного тока с центральным каналом диаметром d<D, обращенный одним торцом с зазором в сторону активной поверхности эмиттера ионов, причем электрод для контроля ионного тока и активная поверхность эмиттера ионов имеют общую аксиальную ось симметрии, перпендикулярную активной поверхности эмиттера ионов, включающий также устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, выполненное в виде двух соосных электрически изолированных внутреннего и внешнего электродов, имеющих соответственно внешнюю и внутреннюю цилиндрические поверхности, между которыми имеется равномерный зазор, причем один из электродов соединен с внешними источниками несимметричного импульсного и регулируемого постоянного напряжений, включающий также блок коллектора ионов, содержащий коллектор ионов, и выходной штуцер, соединенный с внешним насосом для прокачки воздуха через спектрометр.

Данный тип спектрометра, как и аналог, содержит такой же тип устройства для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности. Основное его отличие - использование в источнике ионов эмиттера ионов с плоской активной поверхностью. Это позволяет в данном типе спектрометра в качестве источника ионов использовать поверхностную ионизацию органических молекул на поверхности эмиттера ионов или радиоизотопную ионизацию органических молекул вблизи поверхности ионов в зависимости от выбранного типа материала активной поверхности эмиттера ионов [3-5].

Основными недостатками известного спектрометра являются его значительные габаритные размеры, недостаточная разрешающая способность, узкий динамический диапазон, невозможность использования более широкого класса сменных ионизаторов органических молекул, например, на основе лазерного излучения при ионизации органических молекул на или вблизи активной поверхности эмиттера ионов.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать конструкцию спектрометра дрейфовой подвижности ионов, обладающего высокой разрешающей способностью, широким динамическим диапазоном, малыми габаритными размерами и позволяющего использовать в качестве сменных источников ионизации органических молекул все их основные известные типы: поверхностно-ионизационные, радиоизотопные, объемные лазерные, поверхностные лазерные источники ионизации.

Поставленная цель достигается тем, что торцы внутреннего и внешнего электродов устройства для разделения ионов с двух сторон герметично соединены диэлектрическими кольцевыми втулками, а входной и выходной штуцеры, источник ионов и блок коллектора ионов расположены и ориентированы вдоль второй оси симметрии спектрометра, перпендикулярной аксиальной оси симметрии электродов устройства для разделения ионов, таким образом, что входной штуцер герметично и электрически изолированно закреплен на втором торце электрода для контроля ионного тока, причем каналы входного штуцера и электрода для контроля ионного тока сообщаются, электрод для контроля ионного тока источника ионов герметично и электрически изолированно закреплен в отверстии внешнего электрода устройства для разделения ионов, причем аксиальная ось симметрии электрода для контроля ионного тока ориентирована вдоль второй оси симметрии спектрометра, а внешний диаметр его торца, обращенного в сторону эмиттера ионов, равен диаметру активной поверхности эмиттера ионов, эмиттер ионов герметично и электрически изолированно закреплен в отверстии внутреннего электрода устройства для разделения ионов, причем зазор между активной поверхностью эмиттера ионов и торцом электрода для контроля ионного тока сообщается с зазором между электродами устройства для разделения ионов, при этом на внешней поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов выполнена лыска, высота которой равна высоте этого электрода, ширина которой L>D, а плоскость ее поверхности перпендикулярна второй оси симметрии спектрометра и совмещена с плоской активной поверхностью эмиттера ионов, выходной штуцер электрически изолированно закреплен на одном из электродов устройства для разделения ионов или на одной из диэлектрических кольцевых втулок со стороны спектрометра, противоположной входному штуцеру и источнику ионов, таким образом, что сечение входного канала выходного штуцера, сообщающегося с зазором между электродами устройства для разделения ионов, симметрично относительно плоскости симметрии спектрометра, проходящей через аксиальную ось симметрии электродов устройства для разделения ионов и вторую ось симметрии спектрометра, при этом коллектор ионов блока коллектора расположен в зазоре между электродами устройства для разделения ионов со стороны выходного штуцера и выполнен в виде электрода, симметричного относительно плоскости симметрии спектрометра.

Диаметр центрального канала электрода для контроля ионного тока выбирают из соотношения d=(0,2÷0,4)·D, а величину зазора h по диаметру D между активной поверхностью эмиттера ионов и обращенным в сторону эмиттера ионов торцом электрода для контроля ионного тока выбирают из соотношения h=(0,1÷0,4)·D.

Ширину зазора между цилиндрическими поверхностями электродов устройства для разделения ионов ΔR, высоту этого зазора Н_о и ширину лыски L на внутреннем электроде данного устройства выбирают из соотношений: ΔR=(0,1÷0,4)·D, ΔR·H_o=(5÷20)·πd²/4, L=(1,5÷3)·D.

Активная поверхность эмиттера ионов выполнена из сплава на основе молибдена, вольфрама, ванадия или из оксидной бронзы щелочного металла и переходного металла, обеспечивающих селективную поверхностную ионизацию органических молекул на поверхности эмиттера, при этом эмиттер ионов дополнительно снабжен нагревателем и датчиком температуры эмиттера ионов.

Активная поверхность эмиттера ионов выполнена из материала, содержащего радиоактивный изотоп, например, Ni⁶³ или тритий.

По крайней мере одна кольцевая диэлектрическая втулка, соединяющая электроды устройства для разделения ионов, снабжена герметичным оптически прозрачным окном, а спектрометр дополнительно снабжен внешним источником оптического излучения, например твердотельным или газовым лазером, при этом оптическая ось внешнего источника оптического излучения проходит через оптически прозрачное окно, через зазор между электродами устройства для разделения ионов и через зазор между активной поверхностью эмиттера ионов и торцом электрода для контроля ионного тока параллельно активной поверхности эмиттера ионов.

По крайней мере одна кольцевая диэлектрическая втулка, соединяющая электроды устройства для разделения ионов, снабжена герметичным оптически прозрачным окном, а спектрометр дополнительно снабжен внешним источником оптического излучения, например твердотельным или газовым лазером, при этом оптическая ось внешнего источника оптического излучения проходит через оптически прозрачное окно, через зазор между электродами устройства для разделения ионов и через зазор между активной поверхностью эмиттера ионов и торцом электрода для контроля ионного тока и направлена под скользящим углом на активную поверхность эмиттера ионов.

Заявленная конструкция иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг.1 - сечение спектрометра по его плоскости симметрии в варианте исполнения источника ионов, в котором активная поверхность эмиттера ионов выполнена из материала, обеспечивающего селективную поверхностную ионизацию органических молекул, а спектрометр дополнительно содержит внешний источник оптического излучения, обеспечивающий дополнительную активацию органических молекул вблизи поверхности эмиттера ионов.

Фиг.2 - сечение спектрометра по плоскости, перпендикулярной аксиальной оси симметрии электродов устройства для разделения ионов и проходящей через вторую ось симметрии спектрометра.

Изображенное на Фигурах устройство включает следующие элементы:

1-1 - аксиальная ось симметрии электродов устройства для разделения ионов, 2-2 - вторая ось симметрии спектрометра, 3-3 - оптическая ось внешнего источника оптического излучения, 4 - внутренний электрод устройства для разделения ионов, 5 - внешний электрод устройства для разделения ионов, 6 - диэлектрические кольцевые втулки, 7 - активная поверхность эмиттера, 8 - нагреватель эмиттера ионов, 9 - датчик температуры эмиттера ионов, 10 - электрод для контроля ионного тока, 11 - входной штуцер, 12 - выходной штуцер, 13 - коллектор ионов, 14 - оптически прозрачное окно, 15 - внешний источник оптического излучения, 16 - электрические изоляторы, 17 - входной канал выходного штуцера, 18 - лыска на поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов, А-А - направление прокачки воздуха через спектрометр внешним насосом.

Спектрометр работает следующим образом. Штуцер 12 соединяют с внешним насосом и через спектрометр прокачивают воздух атмосферного давления с объемной скоростью порядка (1÷10) литров/мин. Оптимальная величина объемной скорости прокачки определяется величиной площади сечения зазора между электродами устройства для разделения ионов. Коллектор ионов 13 и электрод для контроля ионного тока 10 соединяют с входами усилителей ионного тока. В варианте с поверхностно-ионизационным эмиттером ионов подают электропитание на нагреватель 8, при этом температуру термоэмиттера контролируют с помощью датчика 9. Рабочую температуру термоэмиттера в этом случае устанавливают в интервале (200÷600)°С в зависимости от типа материала термоэмиттера [4-5]. При лазерной активации или ионизации подают питание на лазер 15, при радиоизотопной ионизации поверхность 7 термоэмиттера выполняют из материала, содержащего радиоактивный элемент. На активную поверхность эмиттера ионов при любом способе ионизации органических молекул (радиоизотопном, поверхностно-ионизационном, лазерном) подают напряжение положительной полярности величиной в интервале (80÷300) Вольт в зависимости от величины объемной скорости прокачиваемого воздуха. Электрод 4 или 6 соединяют с общей точкой цепей питания спектрометра, а на другой электрод устройства для разделения ионов (соответственно 6 или 4) подают сумму несимметричного импульсного высоковольтного напряжения, например, частой 500 кГц и амплитудой импульса до 3 киловольт, и линейно изменяющегося постоянного напряжения, которое однократно или периодически изменяют, например, в интервале (-80÷+80) Вольт. В состав воздуха, засасываемого в спектрометр через канал входного штуцера, подают пробу органических веществ в виде их паров. При этом регистрируют зависимость тока электрода 10 от времени и зависимость тока электрода 13 от величины линейно изменяющегося постоянного напряжения. Первая из указанных зависимостей характеризует изменение по времени концентрации органических молекул в составе засасываемого воздуха. Вторая зависимость является дрейф-спектром органических молекул и позволяет идентифицировать тип органических молекул в составе воздуха, прокачиваемого через спектрометр.

В предложенной конструкции спектрометра при габаритах, сравнимых с габаритами спектрометра - прототипа, радиус кривизны электродов устройства для разделения ионов существенно больше величины зазора между электродами данного устройства. Это позволяет обеспечить более высокую однородность электрического поля между электродами, то есть более высокую разрешающую способность спектрометра. Кроме того, предложенная конструкция спектрометра хорошо адаптирована к использованию сменных источников ионов различных типов, причем именно благодаря применению унифицированной активной эмиттирующей и одновременно фокусирующей поверхности эмиттера ионов, а также радиально расходящейся схемы движения ионов в источнике ионов. С удалением газового потока от центра эмиттера ионов его скорость уменьшается (так как d<D), что обеспечивает высокую эффективность ионизации органических молекул не только при использовании поверхностно-ионизационной, но и радиоизотопной, и лазерной схем ионизации органических молекул. При этом, что принципиально важно, геометрия ионного источника (соотношение областей ионизации и формирования и фокусировки ионного потока) остается неизменной при различных схемах ионизации, что позволяет сопоставлять эффективности ионизации при различных ее схемах.

Оптимальное значение диаметра центрального канала электрода для контроля ионного тока лежит в интервале d=(0,2÷0,4)·D. При меньшем значении диаметра канала слишком велика скорость газового потока в центральной области эмиттера ионов, при большем - не обеспечивается фокусировка ионного пучка. Оптимальная величина зазора h по диаметру D между активной поверхностью эмиттера ионов и обращенным в сторону эмиттера ионов торцом электрода для контроля ионного тока лежит в интервале h=(0,1÷0,4)·D. При меньшем значении этого зазора конструктивно трудно обеспечить параллельность поверхностей электродов и электропрочность зазора, при большем его значении - из-за действия объемного заряда ионного пучка резко снижается эффективность «вытягивания» ионов из области их образования в зазоре.

Для обеспечения высоких характеристик спектрометра принципиально важно наличие лыски на поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов. При выбранных соотношениях геометрических размеров электродов спектрометра она обеспечивает, по-существу, наличие сечения с большей площадью между областями зазора между термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока с одной стороны и областью равномерного зазора между электродами устройства для разделения ионов с другой стороны. Эта область с повышенной площадью сечения играет роль фильтра избыточного объемного заряда ионного пучка, который приводит к снижению разрешающей способности спектрометра. Поэтому указанные интервалы значений ΔR=(0,1÷0,4)·D, ΔR·H_o=(5÷20)·πd²/4, L=(1,5÷3)·D являются оптимальным сочетанием геометрических размеров спектрометра, обеспечивающим высокую разрешающую способность спектрометра, высокую эффективность сбора ионов коллектором, защиту спектрометра от «перегрузок». Вне данного сочетания геометрических размеров резко ухудшается одна из указанных характеристик спектрометра.

Показанная на Фиг.1 различная величина высот внутреннего и внешнего электродов устройства для разделения ионов не является принципиальной, а выбрана исходя из необходимости обеспечения электропрочности зазора между данными электродами при напряжении на них до 3-4 киловольт. Важно то, чтобы сечение данного зазора имело прямоугольную форму, а различие их высот было невелико.

Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности: «новизна» и «изобретательский уровень». Заявленная конструкция может быть реализована в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности: «промышленная применимость».

Испытания макета спектрометра, изготовленного в соответствии с заявленным изобретением, показали, что его разрешающая способность выше данного параметра известных спектрометров в 10-15 раз при сравнимых габаритных размерах, а динамический диапазон спектрометра превышает 8 порядков величины. При этом испытания спектрометров с различными типами источников ионов показали, что его разрешающая способность практически не зависит от типа источника ионов, хотя эффективность и селективность ионизации органических молекул в различных типах источников ионов различна. При этом конструкция спектрометра технологична, а время замены источников ионов не превышает 30 минут.

Источники информации

1. Патент США №5420424 от 30 мая 1995 г. (аналог).

2. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И., Новый подход к поверхностной ионизации и дрейф-спектроскопии органических молекул ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93 (прототип).

3. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И. и др., Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул. Доклады Академии Наук, 2002, том 385, №2, с.200-204.

4. Патент РФ №2186384 от 21.12.1999 г.

5. Патент РФ №2138877 от 12.08.1997 г.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для разработки конструкции источника радиально расходящегося потока ионов органических соединений. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата торцы внутреннего и внешнего электродов устройства для разделения ионов с двух сторон герметично соединены диэлектрическими кольцевыми втулками, входной штуцер закреплен на втором торце электрода для контроля ионного тока. Электрод для контроля ионного тока закреплен в отверстии внешнего электрода устройства для разделения ионов. Эмиттер ионов с активной поверхностью диаметром D закреплен в отверстии внутреннего электрода устройства для разделения ионов. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Спектрометр дрейфовой подвижности ионов, включающий входной штуцер с каналом для забора анализируемого воздуха, источник ионов, содержащий эмиттер ионов с плоской активной поверхностью диаметром D и электрод для контроля ионного тока с центральным каналом диаметром d<D, обращенный одним торцом с зазором в сторону активной поверхности эмиттера ионов, причем электрод для контроля ионного тока и активная поверхность эмиттера ионов имеют общую аксиальную ось симметрии, перпендикулярную активной поверхности эмиттера ионов, включающий также устройство для разделения ионов по параметрам их дрейфовой подвижности на воздухе, выполненное в виде двух соосных электрически изолированных внутреннего и внешнего электродов, имеющих соответственно внешнюю и внутреннюю цилиндрические поверхности, между которыми имеется равномерный зазор, причем один из электродов соединен с внешними источниками несимметричного импульсного и регулируемого постоянного напряжений, включающий также блок коллектора ионов, содержащий коллектор ионов, и выходной штуцер, соединенный с внешним насосом для прокачки воздуха через спектрометр, отличающийся тем, что торцы внутреннего и внешнего электродов устройства для разделения ионов с двух сторон герметично соединены диэлектрическими кольцевыми втулками, а входной и выходной штуцеры, источник ионов и блок коллектора ионов расположены и ориентированы вдоль второй оси симметрии спектрометра, перпендикулярной аксиальной оси симметрии электродов устройства для разделения ионов, таким образом, что входной штуцер герметично и электрически изолированно закреплен на втором торце электрода для контроля ионного тока, причем каналы входного штуцера и электрода для контроля ионного тока сообщаются, электрод для контроля ионного тока источника ионов герметично и электрически изолированно закреплен в отверстии внешнего электрода устройства для разделения ионов, причем аксиальная ось симметрии электрода для контроля ионного тока ориентирована вдоль второй оси симметрии спектрометра, а внешний диаметр его торца, обращенного в сторону эмиттера ионов, равен диаметру активной поверхности эмиттера ионов, эмиттер ионов герметично и электрически изолированно закреплен в отверстии внутреннего электрода устройства для разделения ионов, причем зазор между активной поверхностью эмиттера ионов и торцом электрода для контроля ионного тока сообщается с зазором между электродами устройства для разделения ионов, при этом на внешней поверхности внутреннего электрода устройства для разделения ионов выполнена лыска, высота которой равна высоте этого электрода, ширина которой L>D, а плоскость ее поверхности перпендикулярна второй оси симметрии спектрометра и совмещена с плоской активной поверхностью эмиттера ионов, выходной штуцер электрически изолированно закреплен на одном из электродов устройства для разделения ионов или на одной из диэлектрических кольцевых втулок со стороны спектрометра, противоположной входному штуцеру и источнику ионов, таким образом, что сечение входного канала выходного штуцера, сообщающегося с зазором между электродами устройства для разделения ионов, симметрично относительно плоскости симметрии спектрометра, проходящей через аксиальную ось симметрии электродов устройства для разделения ионов и вторую ось симметрии спектрометра, при этом коллектор ионов блока коллектора расположен в зазоре между электродами устройства для разделения ионов со стороны выходного штуцера и выполнен в виде электрода, симметричного относительно плоскости симметрии спектрометра.2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что диаметр центрального канала электрода для контроля ионного тока выбирают из соотношения d=(0,2-0,4)·D, a величину зазора h по диаметру D между активной поверхностью эмиттера ионов и обращенным в сторону эмиттера ионов торцом электрода для контроля ионного тока выбирают из соотношения h=(0,1-0,4)·D.3. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что ширину зазора между цилиндрическими поверхностями электродов устройства для разделения ионов ΔR, высоту этого зазора Н_o и ширину лыски L на внутреннем электроде данного устройства выбирают из соотношений ΔR=(0,1-0,4)·D; ΔR·Н_о=(5-20)·πd²/4; L=(1,5-3)·D.4. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что активная поверхность эмиттера ионов выполнена из сплава на основе молибдена, вольфрама, ванадия или из оксидной бронзы щелочного металла и переходного металла, обеспечивающих селективную поверхностную ионизацию органических молекул на поверхности эмиттера, при этом эмиттер ионов дополнительно снабжен нагревателем и датчиком температуры эмиттера ионов.5. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что активная поверхность эмиттера ионов выполнена из материала, содержащего радиоактивный изотоп, например Ni⁶³ или тритий.6. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна кольцевая диэлектрическая втулка, соединяющая электроды устройства для разделения ионов, снабжена герметичным оптически прозрачным окном, а спектрометр дополнительно снабжен внешним источником оптического излучения, например твердотельным или газовым лазером, при этом оптическая ось внешнего источника оптического излучения проходит через оптически прозрачное окно, через зазор между электродами устройства для разделения ионов и через зазор между активной поверхностью эмиттера ионов и торцом электрода для контроля ионного тока параллельно активной поверхности эмиттера ионов.7. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одна кольцевая диэлектрическая втулка, соединяющая электроды устройства для разделения ионов, снабжена герметичным оптически прозрачным окном, а спектрометр дополнительно снабжен внешним источником оптического излучения, например твердотельным или газовым лазером, при этом оптическая ось внешнего источника оптического излучения проходит через оптически прозрачное окно, через зазор между электродами устройства для разделения ионов и через зазор между активной поверхностью эмиттера ионов и торцом электрода для контроля ионного тока и направлена под скользящим углом на активную поверхность эмиттера ионов.