СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ Российский патент 2011 года по МПК G01N27/64 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу измерения подвижности ионов, в котором ионы в среде переносятся посредством электрического поля и измеряется их подвижность. Изобретение также относится к устройству для измерения подвижности ионов, включающему электрическое поле для переноса ионов в среде и иономер для измерения подвижности ионов.

Уровень техники

Устройство для измерения подвижности ионов относится в данном документе к устройству, использующемуся для измерения подвижности ионов в среде и распределения подвижности в электрическом поле. Обычно среда, исследуемая с помощью таких приборов, на практике газ, ионизуется перед фактическим измерением, например, с использованием источника радиоактивного излучения, коронного разряда или ультрафиолетового излучения.

В одном из традиционных способов реализации устройство включает дрейфовую трубку, посредством которой проверяется время, потребовавшееся ионам газа для перемещения на заданное расстояние под действием данного электрического поля. Так как ионам, имеющим различные подвижности, требуется разное время для прохождения расстояния, с помощью этого способа получают спектр подвижности. В патентных документах US 4777 363 и WO 8909934, наряду с прочими, описывается основная технология дрейфовых трубок. Кроме того, существует множество патентов, представляющих разнообразные усовершенствования этой технологии. Обычно в этом способе используется замкнутый цикл, где только часть исследуемого газа может оказывать влияние на фактическое измерение.

Еще одним способом исследования подвижности ионов в газе является использование решения типа аспирационного конденсатора, где ионы отклоняются электрическим полем, перпендикулярным направлению потока газа. Их подвижность в электрическом поле определяет, как далеко пролетают ионы до соударения либо со стенками, либо с электродами коллектора, размещенными на стенках. Ионы, сталкивающиеся с электродами коллектора, образуют измеримый поток тока, из которого может быть с заданной точностью выведено распределение подвижности ионов исследуемого газа. Обычно допускается движение исследуемого по этой технологии ионизованного газа как такового через измерительный прибор. Эта техника описывается, помимо прочих, в патентном документе PI75055. В документе WO 03081224 описываются другие способы реализации структуры ячеек этого типа; в числе прочего, более точный способ измерения распределения подвижности с помощью электрода сравнения и переменного напряжения поля. В заявках US 2003/0047681 А1 и US 2005/0178962 описывается осевой поток испытуемой среды между двумя параллельными цилиндрическими поверхностями анализатора FAIMS (high-Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry, спектрометрия подвижности ионов в несимметричном поле высокой напряженности). Цель, ставящаяся при использовании этих технологий, состоит в том, чтобы, помимо прочего, выровнять поток газа, проходящий через ячейку. Более того, из-за открытой структуры ячейки любые колебания температуры окружающей среды и, таким образом, также температуры исследуемого газа оказывают непосредственное воздействие на измеренный сигнал. В некоторых случаях ламинарность потока и срок службы насосов, использующихся для прокачивания газа, также представляют собой проблему. Обычный уровень шума насосов также довольно высок.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение вышеупомянутых проблем, связанных с измерением подвижности ионов в аспирационном конденсаторе. Это достигается, главным образом, за счет того, что при переносе ионов в среде посредством электрического поля и измерении их подвижности в среде поддерживается сдвиговый поток, формируемый между двумя по существу параллельными поверхностями при их движении в индивидуальном направлении друг относительно друга. Поверхности предпочтительно перемещаются параллельно друг относительно друга. Это также называется потоком Куэтта, который является потоком среды, формируемым между двумя параллельными поверхностями при движении этих поверхностей по существу параллельно друг другу. Сдвиговый поток поддерживается предпочтительно ламинарным, другими словами, каждая частица среды движется по существу вдоль своей линии потока.

Электрическое поле и сдвиговый поток могут ориентироваться под острым углом, под тупым углом или перпендикулярно друг относительно друга. Последний вариант осуществления является наиболее полезным. Обычно в среде имеются различные виды переносимых ионов, так что измеряются их количество, подвижность и/или распределение подвижности. Способ может также осуществляться таким образом, что с ним связаны другие способы анализа, или же он представляет собой часть более широкой аналитической системы.

Обычно подвижность ионов измеряется с помощью измерительных электродов. Среда может изначально содержать анализируемые ионы, либо ионы могут быть образованы путем обеспечения в анализируемом образце условий ионизации перед измерением. В этом случае, как правило, неионизованная часть образца используется в качестве среды. Образец предпочтительно является газом и/или паром.

Таким образом, сдвиговый поток согласно изобретению образуется за счет поддержания образца и/или среды в сдвиговом потоке между двумя поверхностями, движущимися в индивидуальных плоскостях друг относительно друга и являющимися по существу параллельными. Согласно варианту осуществления изобретения поверхности обычно образованы противолежащими плоскими поверхностями двух пластин или лент. Согласно другому варианту осуществления изобретения рассматриваемые поверхности образованы внешней и внутренней поверхностями двух цилиндров, которые вращаются друг относительно друга и имеют разные размеры, при этом по существу концентричны. Эта система обеспечивает, помимо прочего, так называемый поток Куэтта-Тейлора, относящийся к потокам Куэтта, представляющий собой сдвиговый поток вещества, который образуется между двумя по существу концентрическими цилиндрами, когда один или оба цилиндра вращаются вокруг своих осей с разными скоростями относительно другого и/или друг относительно друга. Поток используется, помимо прочего, для измерения вязкости.

Способ упрощает размещение измерительного электрода (электродов) и источника ионизации на поверхности удерживаемого на месте цилиндра. Кроме того, при необходимости, в анализируемом образце и/или среде может поддерживаться поток Куэтта-Тейлора, и новая анализируемая часть может всасываться только при желании. В то же время, образец и/или среда могут быть нагреты до постоянной температуры и для исследования может быть использовано больше времени. Как правило, способ производит намного меньше шума, нежели чем пневматические насосы, используемые в ячейках аспирационного конденсатора.

Обычно поток при потоке Куэтта-Тейлора остается ламинарным, если внешний цилиндр вращается, а внутренний цилиндр неподвижен. При вращении внутреннего цилиндра, наоборот, поток легко становится турбулентным уже при довольно малых рабочих скоростях и потоках. Ламинарный поток Куэтта-Тейлора достаточно точно следует профилю, где скорость образца и/или среды на каждой поверхности является той же, что и скорость указанной поверхности, и линейно изменяется между поверхностями. Это предположение выполняется тем лучше, чем ближе друг к другу диаметры внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра. Таким образом, предпочтительно, чтобы отношение диаметров внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра лежало в диапазоне от 0,30 до 0,99, предпочтительно от 0,50 до 0,95.

При использовании потока Куэтта-Тейлора двух концентрических цилиндров образец и/или среда обычно подается между внутренним и внешним цилиндрами и приводится там в состояние сдвигового потока. Образец может подаваться между цилиндрами на постоянной основе, но предпочтительно сначала подать его и подождать, пока поток станет ламинарным, после чего измерять подвижность ионов.

Предпочтительно разделить пространство между цилиндрами на области, где протекающий образец подвергается измерениям, связанным с подготовкой и анализом. Образец может быть ионизован в области ионизации, расположенной в пространстве между внутренним и внешним цилиндрами. Таким образом, область образует дугу окружности между цилиндрами, где главным образом ионизуется образец. Условия ионизации обеспечиваются, например, при помощи ионизатора, расположенного на внешней поверхности внутреннего цилиндра.

Соответственно, ионы образца могут быть перенесены и измерены в области переноса между внутренним и внешним цилиндрами, расположенной ниже по потоку относительно области ионизации. Обычно это осуществляется за счет формирования электрического поля между внешним цилиндром и пластинами коллектора ионов, расположенными на внутреннем цилиндре. В этом случае количество ионов и расстояние, пройденное ими, измеряются посредством измерительных электродов, соединенных с пластиной (пластинами) коллектора. Измерительные электроды для осуществления измерений предпочтительно размещены на внешней поверхности внутреннего цилиндра последовательно в направлении потока.

Согласно одному из вариантов осуществления измерительные электроды одной или большего количества пластин коллектора, прикрепленных к внутреннему цилиндру, выполнены так, что расширяются в направлении сдвигового потока. Аналогично, напряжение электрического поля между внешним и внутренним цилиндрами может быть изменено в направлении сдвигового потока для получения оптимального профиля напряжения для переноса ионов. Любая турбулентность протекающего образца и/или среды мешает измерению. При необходимости этого можно избежать за счет размещения ионизатора и/или измерительных электродов на расстоянии от краев внутреннего цилиндра и предпочтительно в середине поверхности цилиндра.

Образец, который еще не был ионизован, может быть измерен с помощью электродов сравнения, расположенных выше по потоку относительно области ионизации. Путем вычитания сигнала электрода сравнения из сигналов измерительных электродов последние могут быть восстановлены без помех. Это особенно выгодно при использовании переменного напряжения на внешнем контуре, когда электроды сравнения можно использовать для устранения потока, вызываемого переменным напряжением на фактических измерительных электродах. После измерения любые ионы, миновавшие области переноса, могут быть разряжены в области разрядки, расположенной ниже по потоку относительно области переноса.

Изобретение также относится к устройству для измерения подвижности ионов, включающему электрическое поле для переноса ионов в среде и иономер для измерения подвижности ионов. Устройство отличается тем, что содержит первый поверхностный элемент, имеющий первую поверхность, и второй поверхностный элемент, имеющий вторую по существу параллельную поверхность, причем поверхности ограничивают пространство среды и могут перемещаться посредством поверхностных элементов друг относительно друга в индивидуальных направлениях так, что при переносе и измерении подвижности ионов среда находится в состоянии сдвигового потока. Предпочтительно поверхностные элементы выполнены с возможностью параллельного перемещения поверхностей друг относительно друга.

Как уже отмечено выше, поток предпочтительно является ламинарным. Таким образом, поверхностные элементы предпочтительно выполнены с возможностью поддержания в среде ламинарного сдвигового потока Куэтта. Это достигается, например, за счет расположения поверхностей строго параллельно и за счет их перемещения настолько медленно, чтобы в протекающем образце или среде не образовывалась турбулентность или волны. Электрическое поле, переносящее ионы, может быть ориентировано под острым углом, под тупым углом или перпендикулярно по отношению к сдвиговому потоку. Угол предпочтительно является прямым.

Иономер устройства согласно изобретению предпочтительно содержит один или большее количество измерительных элементов, которые измеряют количество, подвижность и/или распределения подвижности различных видов ионов. Измерительные элементы предпочтительно являются измерительными электродами, и предпочтительно их несколько. Ионизатор поддерживает в анализируемом образце условия ионизации, производя из него ионы для измерения подвижности. Ионизатором может быть, например, источник УФ излучения, устройство коронного разряда или источник радиоактивного излучения. Предпочтительно он является источником радиоактивного излучения, например источником радиоактивного излучения Аm-241 с активностью порядка 160 мкКи.

Как описано выше, сдвиговый поток образуется с помощью поверхностных элементов, анализируемый образец и его возможная среда находятся между противолежащими по существу параллельными движущимися поверхностями поверхностных элементов. Здесь образцом называется анализируемое вещество, а средой называется вещество, переносящее анализируемое вещество. Как правило, в среде нет необходимости, так как неионизованная часть образца выполняет функции среды. Образец и/или среда предпочтительно являются газом, паром или их смесью.

Поверхностные элементы содержат две по существу параллельные поверхности, между которыми имеется пространство для среды и/или образца. Это наилучший способ обеспечить предпочтительный ламинарный поток. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения поверхности являются противолежащими по существу плоским поверхностям двух пластин или лент. Однако предпочтительно, чтобы поверхности были образованы внешней и внутренней поверхностями двух цилиндров, которые вращаются друг относительно друга и являются по существу концентрическими, но имеют разные размеры. В этом случае образец и/или среда подаются в пространство между внешней поверхностью внутреннего цилиндра и внутренней поверхностью внешнего цилиндра. Когда поверхности перемещаются друг относительно друга, образец и/или среда протекает, образуя поток Куэтта-Тейлора. Таким образом, поток Куэтта-Тейлора является подтипом потока Куэтта, как указано выше. Диаметры внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра предпочтительно находятся в диапазоне от 0,30 до 0,99, более предпочтительно от 0,50 до 0,95.

Как отмечено выше, поток Куэтта-Тейлора образуется, когда по существу параллельные поверхности цилиндров движутся друг относительно друга. Обычно поток остается в значительной степени ламинарным, если внешний контур вращается, а внутренний контур неподвижен. Наоборот, при вращении внутреннего контура поток становится турбулентным даже при очень малых рабочих скоростях и потоках. В устройстве согласно изобретению, таким образом, внутренний цилиндр предпочтительно неподвижен, а внешний цилиндр вращается. Ламинарный поток Куэтта-Тейлора достаточно точно следует профилю, когда скорость среды на каждой поверхности является той же, что и скорость рассматриваемой поверхности, изменяясь линейно между поверхностями. Это выполняется тем лучше, чем более близкими друг к другу являются диаметры противолежащих поверхностей цилиндров, как указано выше.

Внешний цилиндр предпочтительно вращается с помощью двигателя. Устройство может также включать модуль подачи, подающий образец между внутренним и внешним цилиндрами и вносящий при этом образец в сдвиговый поток. Модуль подачи предпочтительно содержит узел центробежного вентилятора, соединенного с внешним цилиндром и засасывающего или вдувающего образец и/или среду в пространство между цилиндрами. В этом случае двигатель предпочтительно вращает и внешний цилиндр, и радиальное колесо модуля подачи. Кроме того, обычно необходимы отверстия во внешнем цилиндре, через которые образец и/или среда втекает в пространство между цилиндрами или же вытекает из указанного пространства.

Как упоминалось при описании способа, предпочтительно подавать образец/среду в устройство по частям и ждать, пока не установится (ламинарный) поток Куэтта-Тейлора. В этом случае в модуле подачи образца необходим переключатель входного потока для того, чтобы подавать образец или среду в пространство между цилиндрами, таким образом, что измерение не начинается до тех пор, пока поток поданной отдельной порции не приобретет нужный характер.

Обычно пространство для потока в устройстве согласно изобретению поделено на области, где образец подготавливается и анализируется. Соответственно, ионизатор предпочтительно расположен в области ионизации между внутренним и внешним цилиндрами. Ионизатор предпочтительно прикреплен к внешней поверхности внутреннего цилиндра. Электрическое поле своей частью может располагаться в области переноса между внутренним и внешним цилиндрами, находящейся ниже по потоку относительно области ионизации.

Электрическое поле обычно образовано напряжением, установленным между внешним цилиндром и одной или большим количеством пластин коллектора ионов, расположенных на внутреннем цилиндре. Пластина коллектора сама может функционировать как измерительный электрод, однако предпочтительно имеется один или большее количество измерительных электродов, соединенных с ней, так что число ионов и проходимое ими расстояние измеряются этим (этими) электродом (электродами). Предпочтительно имеются несколько измерительных электродов, например от 3 до 12, и они обычно расположены на внешней поверхности внутреннего цилиндра последовательно в направлении потока. Для обеспечения невозмущенного ламинарного потока ионизатор и измерительные электроды расположены на расстоянии от краев внутреннего цилиндра и предпочтительно в середине поверхности цилиндра. В этом случае какие-либо турбулентности на краях не помешают измерению. Если необходимо устранить помехи в сигнале, наводимые в измерительных электродах образцом и/или средой, то предпочтительно установить в устройстве электроды сравнения, которые расположены выше по потоку относительно указанной области ионизации. Это особенно выгодно при использовании переменного напряжения на внешнем контуре, когда электроды сравнения можно использовать при устранении тока, вызываемого переменным напряжением на реальных измерительных электродах.

При желании, ионы, остающиеся после переноса и измерения, могут быть удалены из сдвигового потока. Таким образом, согласно варианту осуществления устройство содержит зону разрядки, находящуюся ниже по потоку относительно области переноса, где осуществляется разрядка указанных ионов с помощью напряжения. Также предпочтительно разместить ионизатор, пластину (пластины) коллектора и измерительные электроды, упомянутые выше, на монтажной плате (фиг.4), прикрепленной к внешней поверхности внутреннего цилиндра.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение подробно описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи, представляющие одну из конструкций ячейки согласно изобретению.

На фиг.1 изображен схематический вид сбоку в разрезе устройства согласно изобретению.

На фиг.2 показан перспективный покомпонентный вид того же устройства.

На фиг.3 показан перспективный вид в сборе того же устройства.

На фиг.4 изображен вид сверху монтажной платы, прикрепленной к внешней поверхности внутреннего цилиндра в том же устройстве.

Осуществление изобретения

На фиг.1-4 показаны неподвижный внутренний контур 1 с источником 3 излучения и гибкой монтажной платой, расположенной на поверхности контура; плата содержит измерительные электроды 4. В данном случае внешний диаметр внутреннего контура без монтажной платы, содержащей измерительные электроды, составляет порядка 25 мм. Позолоченные измерительные электроды 4 выполнены на поверхности гибкой монтажной платы обычными способами производства монтажных плат. Поверхность монтажной платы показана на фиг.4, где белые участки демонстрируют области монтажной платы с металлическим покрытием, а черные участки демонстрируют области без металлического покрытия, соответственно. В направлении потока газа с обеих сторон измерительных электродов присутствуют покрытые металлом области 15, имеющие то же напряжение, что и измерительные электроды. Это служит для того, чтобы сделать электрическое поле, отклоняющее ионы в этой области, настолько постоянным, насколько возможно. Кроме того, эта конструкция ослабляет возмущаемые токи на измерительных электродах, возможно, вызванные поверхностными токами утечки. Для лучшего понимания масштаба необходимо отметить, что ширина измерительных электродов на фигуре составляет порядка 10 мм, и они простираются на расстояние порядка 30 мм. Соединительные провода проходят от измерительных электродов, находящихся на монтажной плате, через сквозные отверстия и посредством протяжек, расположенных на другой стороне платы, и из ячейки к электрометру, который фактически измеряет поток. На плате, под источником 3 излучения, имеется также область 16, которая обычно имеет такое же напряжение, как и внешний контур, чтобы предотвратить соударения ионов со стенками до измерительных электродов 4. Источник излучения также электрически подключен к тому же напряжению. Соответственно, в направлении потока за измерительными электродами на монтажной плате имеется область 6, к которой приложено напряжение, так что ионы, которые могли миновать измерительные электроды, разряжаются. Толщина гибкой платы обычно составляет порядка 125 мкм, а толщина металлического покрытия составляет порядка 35 мкм. Основным материалом монтажной платы является полиимид. Эта плата приклеена к поверхности внутреннего контура 1, а измерительные электроды обращены наружу.

Внешний контур 2 размещен соосно с внутренним контуром 1 таким образом, что вращается в направлении стрелки 5 с помощью двигателя 13, образуя сдвиговой поток между внутренним контуром 1 и внешним контуром 2. В данном случае материалом внешнего контура является нержавеющая сталь. Воздушный промежуток между внешним контуром и внутренним контуром 1 составляет около 2.3 мм, а скорость вращения внешнего контура составляет 1600 оборотов в минуту. Это соответствует общей скорости потока порядка 1,725 литров в минуту над измерительными электродами шириной 10 мм. Сдвиговый поток, образующийся между цилиндрами, реализован так, что его ширина выходит за внешние края измерительных электродов на обеих сторонах на величину, равную по меньшей мере двойной высоте воздушного промежутка, т.е., в данном случае, 4,6 мм. Это сделано потому, что возможные области турбулентности на краях не должны создавать помехи измерению. Кроме того, поток в краевых областях отклоняется от идеального ламинарного потока Куэтта-Тейлора.

Более того, система передачи воздуха внутрь ячейки или из ячейки реализована на той же оси, что и внешний контур 2. Это достигается за счет выполнения внешнего контура 2 таким образом, что на одном его конце имеется механизм 9 передачи воздуха в виде радиального вентилятора, а на другом конце имеются отверстия 10, из которых анализируемый воздух может быть забран в устройство. Для осуществления функционирования согласно изобретению необходимо добиться того, чтобы осевой поток в ячейке, создаваемый радиальным вентилятором, не вызывал турбулентность или дрейф ионов с вершины электродов и из измерительной области. При необходимости наиболее надежным способом полного предотвращения осевого потока является закрытие либо отверстий 10, либо выпуска 11 воздуха. Соответственно, осевой поток может быть отрегулирован, как требуется, либо за счет изменения размеров отверстий 10 или выпуска 11 воздуха, либо за счет изменения конструкции радиального вентилятора.

Электрическое поле, отклоняющее ионы, обеспечивается за счет подачи напряжения на внешний контур 2 с помощью подпружиненного штырька 12. Этот штырек находится в электрическом контакте с серединной точкой внешнего контура 2. В данном случае напряжение равно 2,5 В. Внешний контур вращается с помощью двигателя 13, при этом его наружный кожух заземлен, чтобы минимизировать возмущения. Вращательное движение, обеспечиваемое двигателем, передается внешнему контуру 2 через промежуточный элемент 14, выполненный из электрически непроводящего материала.

Газ в потоке ионизуется источником 3 излучения Аm-241. Источник 3 излучения приклеен к поверхности гибкой монтажной платы на расстоянии около 1 см от измерительных электродов и, кроме того, электрически соединен с металлическим покрытием расположенной ниже монтажной платы. Активность источника излучения составляет 160 мкКи, а площадь его поверхности равна 10×12,5 мм. Ионизация, например, может также быть осуществлена с помощью ультрафиолетового излучения или коронного разряда. Далее, ионизованный газ дрейфует в сдвиговом потоке к электродам 4 коллектора. В зависимости от электрического поля между внешним контуром 2 и пластинами 15 коллектора, а также электродами 4, от геометрии устройства, скорости вращения внешнего контура и, в особенности, от подвижности ионов, содержащихся в газе в электрическом поле, и их радиального положения по прибытии в область коллектора, ионы проходят расстояние, характеризующее их, в электрическом поле до соударения либо с измерительными электродами, либо с внешним контуром. Измерительные электроды могут использоваться при измерении потока, производимого ионами, и, таким образом, могут быть определены распределение подвижности ионов газа и число ионов с заданной точностью.

На фигурах также показана область 6, куда может быть подведено напряжение относительно внешнего контура 2, так что ионы, прошедшие возможно мимо пластин коллектора, можно разрядить, в зависимости от их полярности, сталкивая их либо с внешним контуром 2, либо с областью 6, до повторного прибытия в область 3 ионизации. Кроме того, на фигуре показан электрод 8 сравнения, который может быть использован при применении способа, описанного в пункте 1 формулы изобретения публикации WO 03081224. В документе WO 03081224 соответствующий электрод сравнения обозначен на фигурах номерами 201 и 411.

Электроды 4 сравнения могут быть размещены по-разному для различных целей. Простейшим способом является использование такого расположения, при котором необходимое количество электродов расположено последовательно с равными промежутками, как в предыдущем примере конструкции. Второй возможностью является расположение электродов таким образом, чтобы они расширялись в направлении потока, когда коллекторные области распределены более равномерно для соответствия областям подвижности ионов. Третьей возможностью является использование переменного напряжения на внешнем контуре и, таким образом, получение большего количества знаний, касающихся подвижности ионов. В случае переменного напряжения может также быть полезным использование электрода 8 сравнения при корректировке тока, производимого емкостным соединением между внешним контуром 2 и измерительным электродом (электродами) при изменении напряжения на внешнем контуре. Этот способ подробно описан в документе WO 03081224. Также возможно расположить на внешнем контуре области с различными напряжениями, движущиеся вместе с внешним контуром. Это обеспечивает эффект, соответствующий изменению полного напряжения внешней окружности со временем.

Одним из возможных применений изобретения является случай, в котором новый анализируемый газ засасывается между внутренним контуром 1 и внешним контуром 2 лишь время от времени. Это дает возможность проведения длительного анализа порций газа, и состояние анализируемого газа может поддерживаться постоянным на протяжении всего измерения. Таким образом, температура газа, например, может поддерживаться постоянной независимо от внешних условий, и в то же время может быть уменьшен объем ресурсов, необходимых для анализа газа, таких как, помимо прочего, время отсчетов.

В рамках изобретения также можно выполнить внешний контур таким образом, что требуемый эффект накачки будет обеспечиваться с помощью указанного контура без отдельных насосов. В примере конструкции этот эффект обеспечивается с помощью радиального вентилятора.

Следует отметить, что в рамках изобретения измерение может быть выполнено различными способами, отличающимися друг от друга. Помимо прочего, измерительные электроды могут быть расположены желаемым образом; воздушный поток, например, может быть реализован посредством ленты, перемещаемой по плоскости или путем того, что внутренний контур делают вращающимся. Перемещение анализируемого газа внутрь устройства или из устройства также может быть осуществлено различными способами.

Способ и устройство для измерения подвижности ионов, обеспечивающее электрическое поле, используемое для переноса ионов в среде, и содержащее иономер для измерения подвижности ионов, при этом устройство также содержит первый поверхностный элемент, имеющий первую поверхность, и второй поверхностный элемент, имеющий вторую поверхность, по существу параллельную первой поверхности, причем первая и вторая поверхности ограничивают пространство среды и выполнены с возможностью перемещения посредством поверхностных элементов одной поверхности относительно другой или обеих указанных поверхностей в индивидуальных направлениях друг относительно друга так, что при переносе ионов и измерении подвижности среда находится в состоянии сдвигового потока, при этом электрическое поле обеспечивается за счет подачи напряжения на второй поверхностный элемент. Заявленное изобретение обеспечивает упрощение измерения подвижности ионов, а также снижает зависимость результатов измерения от температуры. 2 н. и 55 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения подвижности ионов, в котором осуществляют перенос содержащихся в среде ионов посредством электрического поля и измеряют их подвижность, отличающийся тем, что в среде поддерживают сдвиговый поток, формируемый между двумя, по существу, параллельными поверхностями путем перемещения одной поверхности относительно другой или обеих поверхностей в индивидуальных направлениях друг относительно друга.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхности перемещают параллельно друг другу.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сдвиговый поток поддерживают, по существу, ламинарным.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрическое поле и сдвиговый поток ориентируют перпендикулярно друг другу.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют количество и/или распределение подвижности различных видов ионов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что подвижность ионов измеряют с помощью измерительных электродов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионы образуют путем обеспечения в анализируемом образце условий ионизации.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве среды используют неионизованную часть образца.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что среда является газом или паром.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что две, по существу, параллельные поверхности образованы противолежащими плоскими поверхностями двух пластин или лент.

11. Способ по любому из пп.1-6, 8 или 9, отличающийся тем, что две, по существу, параллельные поверхности образованы внешней поверхностью и внутренней поверхностью двух разных по размеру, по существу, соосных цилиндров, вращающихся друг относительно друга.

12. Способ по п.5, отличающийся тем, что две, по существу, параллельные поверхности образованы внешней поверхностью и внутренней поверхностью двух разных по размеру, по существу, соосных цилиндров, вращающихся друг относительно друга.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что две, по существу, параллельные поверхности образованы внешней поверхностью и внутренней поверхностью двух разных по размеру, по существу, соосных цилиндров, вращающихся друг относительно друга.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что отношение диаметров внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра составляет от 0,30 до 0,99, предпочтительно от 0,50 до 0,95.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что внутренний цилиндр удерживают неподвижным, а внешний цилиндр вращают.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что образец подают между внутренним цилиндром и внешним цилиндром и приводят в состояние сдвигового потока.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что образец подают отдельными порциями между внутренним цилиндром и внешним цилиндром, позволяют установиться до образования ламинарного сдвигового потока и измеряют подвижность ионов.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что условия ионизации в образце обеспечивают в области ионизации между внутренним цилиндром и внешним цилиндром.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что условия ионизации обеспечивают при помощи ионизатора, расположенного на внешней поверхности внутреннего цилиндра.

20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что в области ионизации напряжения внутреннего цилиндра и внешнего цилиндра поддерживают, по существу, одинаковыми.

21. Способ по п.13, отличающийся тем, что ионы образца переносят посредством электрического поля в область переноса, находящуюся между внутренним цилиндром и внешним цилиндром ниже по потоку относительно области ионизации.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что перенос ионов производят путем формирования электрического поля между внешним цилиндром и одной или большим количеством пластин коллектора ионов, размещенных на внутреннем цилиндре.

23. Способ по п.12, отличающийся тем, что количество ионов и длину дрейфа ионов измеряют посредством одного или большего количества измерительных электродов, соединенных с пластиной коллектора.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что измерительные электроды расположены на внешней поверхности внутреннего цилиндра последовательно в направлении потока.

25. Способ по п.19 или 24, отличающийся тем, что избегают любой турбулентности в среде за счет размещения ионизатора и/или измерительных электродов на расстоянии от краев внутреннего цилиндра и, предпочтительно, в середине поверхности цилиндра.

26. Способ по п.11, отличающийся тем, что неионизованный образец измеряют с помощью электродов сравнения, расположенных между внутренним цилиндром и внешним цилиндром выше по потоку относительно области ионизации.

27. Способ по п.11, отличающийся тем, что осуществляют разрядку любых ионов, миновавших область переноса, в зоне разрядки, расположенной ниже по потоку относительно области переноса.

28. Устройство для измерения подвижности ионов, обеспечивающее электрическое поле, используемое для переноса ионов в среде, и содержащее иономер для измерения подвижности ионов, отличающееся тем, что содержит первый поверхностный элемент, имеющий первую поверхность, и второй поверхностный элемент, имеющий вторую поверхность, по существу, параллельную первой поверхности, причем первая и вторая поверхности ограничивают пространство среды и выполнены с возможностью перемещения посредством поверхностных элементов одной поверхности относительно другой или обеих указанных поверхностей в индивидуальных направлениях друг относительно друга так, что при переносе ионов и измерении подвижности среда находится в состоянии сдвигового потока, при этом электрическое поле обеспечивается за счет подачи напряжения на второй поверхностный элемент.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что поверхностные элементы выполнены с возможностью перемещения поверхностей параллельно друг другу.

30. Устройство по п.28, отличающееся тем, что поверхностные элементы выполнены с возможностью поддержания в среде, по существу, ламинарного потока.

31. Устройство по п.28, отличающееся тем, что поверхностные элементы и электрическое поле ориентированы так, что электрическое поле и сдвиговый поток ориентированы перпендикулярно друг другу.

32. Устройство по п.28, отличающееся тем, что иономер включает один или большее количество измерительных элементов, предназначенных для измерения количества и/или распределения подвижности различных видов ионов.

33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что измерительные элементы иономера представляют собой измерительные электроды, и, предпочтительно, предусмотрено несколько измерительных электродов.

34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что включает ионизатор, поддерживающий в анализируемом образце условия ионизации и производящий из него ионы.

35. Устройство по п.34, отличающееся тем, что ионизатор представляет собой источник ультрафиолетового излучения, устройство коронного разряда или, предпочтительно, источник радиоактивного излучения.

36. Устройство по п.28, отличающееся тем, что поверхностные элементы выполнены с возможностью использования неионизованной части образца в качестве среды.

37. Устройство по п 28, отличающееся тем, что поверхностные элементы выполнены с возможностью использования газообразного или парообразного образца и/или среды.

38. Устройство по любому из пп.28-37, отличающееся тем, что указанные поверхности образованы противолежащими, по существу, плоскими поверхностями двух пластин или лент.

39.Устройство по любому из пп.28-37, отличающееся тем, что поверхности образованы внешней поверхностью и внутренней поверхностью двух разных по размеру, по существу, соосных цилиндров, вращающихся друг относительно друга.

40. Устройство по п.34, отличающееся тем, что поверхности образованы внешней поверхностью и внутренней поверхностью двух разных по размеру, по существу, соосных цилиндров, вращающихся друг относительно друга.

41. Устройство по п.39, отличающееся тем, что отношение диаметров внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра составляет от 0,30 до 0,99, предпочтительно от 0,50 до 0,95.

42. Устройство по п.39, отличающееся тем, что внутренний цилиндр неподвижен, а внешний цилиндр выполнен с возможностью вращения.

43. Устройство по п.42, отличающееся тем, что включает двигатель для вращения внешнего цилиндра.

44. Устройство по п.39, отличающееся тем, что включает модуль подачи образца для подачи образца между внутренним цилиндром и внешним цилиндром и ввода образца в сдвиговый поток.

45. Устройство по п.44, отличающееся тем, что модуль подачи содержит узел радиального вентилятора, соединенный с внешним цилиндром, и засасывающий или вдувающий образец и/или среду в пространство между цилиндрами, и отверстия, выполненные во внешнем цилиндре, через которые образец и/или среда втекает в пространство между цилиндрами или вытекает из указанного пространства.

46. Устройство по п.44 или 45, отличающееся тем, что модуль подачи образца содержит переключатель входного потока для подачи образца и/или среды в пространство между цилиндрами отдельными порциями, причем измерение не начинается до тех пор, пока поток отдельной порции не приобретет ламинарный характер.

47. Устройство по п.40, отличающееся тем, что ионизатор расположен в области ионизации между внутренним цилиндром и внешним цилиндром.

48. Устройство по п.47, отличающееся тем, что ионизатор прикреплен к внешней поверхности внутреннего цилиндра.

49. Устройство по п.40, отличающееся тем, что электрическое поле (Е) расположено в области переноса между внутренним цилиндром и внешним цилиндром, находящейся ниже по потоку относительно области ионизации.

50. Устройство по п.49, отличающееся тем, что электрическое поле (Е) образовано напряжением, установленным между внешним цилиндром и пластиной коллектора ионов, расположенной на внутреннем цилиндре.

51. Устройство по п.50, отличающееся тем, что включает один или большее количество измерительных электродов, соединенных с пластиной коллектора и используемых для измерения количества и времени прохождения ионов.

52. Устройство по п.51, отличающееся тем, что включает несколько измерительных электродов, расположенных на внешней поверхности внутреннего цилиндра последовательно в направлении потока.

53. Устройство по п.40, отличающееся тем, что ионизатор и измерительные электроды расположены на расстоянии от краев внутреннего цилиндра и, предпочтительно, в середине поверхности указанного цилиндра.

54. Устройство по п.40, отличающееся тем, что включает электроды сравнения, расположенные между внутренним цилиндром и внешним цилиндром выше по потоку относительно области ионизации.

55. Устройство по любому из пп.49-54, отличающееся тем, что включает зону разрядки, расположенную ниже по потоку относительно области переноса, где происходит разрядка ионов, возможно миновавших область переноса.

56. Устройство по п.51, отличающееся тем, что ионизатор, пластина коллектора и измерительные электроды размещены на монтажной плате, прикрепленной к внешней поверхности внутреннего цилиндра.

57. Устройство по п.28, отличающееся тем, что представляет собой спектрометр подвижности ионов.