СИСТЕМА УЛАВЛИВАНИЯ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ ЧАСТИЦ Российский патент 2012 года по МПК G01N1/02 G01N1/24 B05B17/04 

Предпосылки изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к детектированию следовых количеств химических веществ, и более конкретно к улавливанию частиц веществ с поверхности, чтобы обеспечить высвобождение, перенос и улавливание частиц.

2. Уровень техники

Существует широкое многообразие приборов для химического анализа, которые способны детектировать и идентифицировать целевые частицы следовых количеств химических веществ («целевых химических веществ»), как только образец частиц помещают в прибор и затем испаряют. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, спектрометры ионной подвижности, масс-спектрометры, газовые хроматографы, сенсоры на поверхностных акустических волнах, наномеханические кантилеверные сенсоры и электронозахватные детекторы. Подобным образом, существует несколько подходов, которые могут быть реализованы для транспортирования целевых частиц в прибор, часть которых реализована в самой конструкции прибора, и часть, которая может потребовать действий оператора для выполнения переноса. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, механическое транспортирование собранного образца в прибор, вакуумное улавливание паров или частиц, и вихревой вакуумный отбор проб.

Целевые частицы оказываются связанными с поверхностью слабыми химическими связями, силами Ван-дер-Ваальса, механическим сцеплением с волокнистой или пористой структурой, адгезионными силами, электростатическим притяжением или захватом липким материалом, таким как смазка. Для некоторых целевых химических веществ, таких как наркотики и взрывчатые вещества, поверхностные адгезионные взаимодействия могут быть относительно сильными, делая затруднительным удаление целевых частиц простыми способами переноса с низким импульсом силы, такими как сдувание струей воздуха. Удаление таких прочно прилипших целевых частиц сдуванием воздухом обычно является успешным только для самых крупных или самых тяжелых целевых частиц, которые обеспечивают наибольшую площадь поверхности для выдувающего воздуха. В основном же выдувающий воздух с трудом удаляет целевые частицы взрывчатых веществ или наркотиков с жестких поверхностей, только с гибких поверхностей, таких как ткань, где вибрирующее движение материала и высокая пористость становятся средством механического перемещения целевых частиц. Даже в случае ткани обычно требуется очень высокая скорость потока выдувающего воздуха для достижения любого результата, и то только для самых крупных целевых частиц, так что способ является весьма неэффективным.

В некоторых случаях способ отбора образца начинается с того, что оператор или устройство физически вытирает испытуемую поверхность («целевую поверхность») абсорбентом, часто текстурированной субстанцией, такой как химическая фильтровальная бумага. Целевые частицы представляющего интерес химического вещества затем могут быть перенесены и сконцентрированы на поверхностной текстуре поглотителя или в таковой путем механического вытирающего действия. Этот промежуточный поглотитель затем вносят в зону действия детектирующего прибора для проведения измерения. Способ вытирания в основном действует надежно и эффективно, но может быть дорогостоящим, поскольку обычно нужно часто заменять среду, и зачастую требуется обученный оператор. Кроме того, операторы устают, и у них не получается вытирать каждый раз в точности одинаковым образом.

Существуют многочисленные варианты применения, в которых может быть желательной возможность избежать вытирания поверхности вручную. Сюда входит, например, отбор образцов без оператора, отбор образцов с большой площади поверхности, дистанционный отбор проб, роботизированный отбор образцов, поверхности, где физический контакт неприемлем, и ситуации, в которых неприемлема частая замена вытирающих материалов, возможно, вследствие высокой стоимости. В этих случаях может быть желательным лучший способ извлечения целевых частиц с поверхности, чем простое сдувание воздухом.

Известно бесконтактное устройство для очистки кремниевых полупроводниковых пластин. Например, смотри патентный документ US 5,931,721 авторов Rose и др., “Aerosol Surface Processing” («Аэрозольная поверхностная обработка»). Аэрозоли жидкостей или твердых веществ используют для сошлифовывания загрязняющих частиц и пленок с поверхности кремниевой пластины без повреждения полупроводниковых устройств, ранее сформированных на пластине. Это устройство предназначено для очистки пластины, и не предпринималось никаких попыток улавливать полученные частицы для химического анализа. Кроме того, в дополнение к аэрозольной поверхностной обработке требуются другие операции очистки, такие как промывание водой.

Сущность изобретения

В соответствии с одним аспектом системы здесь описано устройство для извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности. Устройство включает резервуар с находящимся под давлением сжиженным диоксидом углерода (“CO₂”) для аэрозоля, по меньшей мере один импульсный клапан, по меньшей мере одну расширительную камеру для сжиженного диоксида углерода, по меньшей мере два сопла для направления аэрозольной смеси на целевую поверхность, которые сообщаются с источником сжатого сжиженного диоксида углерода, по меньшей мере одним импульсным клапаном и по меньшей мере одной расширительной камерой, создание разрежения, обеспечивающего всасывающее течение в отверстие, которое увлекает частицы замерзшего диоксида углерода («сухого льда») из аэрозольной смеси и целевых химических частиц, извлеченных в результате ударного воздействия частиц сухого льда из аэрозольной смеси, и улавливающую среду для накопления частиц, увлеченных во всасывающем течении. Расширительная камера может включать камеру со сплошными стенками непосредственно ниже по потоку относительно указанного импульсного клапана. Всасывающее течение в отверстие может быть охвачено по окружности вращающимся вихревым потоком. Улавливающая среда может включать по меньшей мере одну из фильтра, адсорбирующей поверхности с химическим покрытием, металлической сетки, трехмерного металлического тканого материала, металлической проволоки, металлической фольги, многослойного материала из металла и электрического изолятора или резистивного покрытия на субстрате. Улавливающая среда может представлять собой создающий электрическое поле электрод, размещенный по существу перпендикулярно направлению течения газа через указанную улавливающую среду. Улавливающая среда может быть расположена выше по потоку относительно указанного отверстия. Улавливающая среда может быть размещена внутри указанного отверстия. Резервуар может представлять собой баллон под давлением для сжиженного диоксида углерода. Когда резервуар представляет собой баллон под давлением для сжиженного диоксида углерода, твердые частицы для аэрозольной смеси могут образовываться в результате замораживающего действия во время свободного расширения указанного сжиженного газа в расширительной камере, в которой первая часть жидкости испаряется с поглощением энергии, и вторая часть жидкости замораживается в частицы с выделением энергии. Аэрозольная смесь может подаваться импульсами через предварительно заданные промежутки времени, и аэрозольные частицы могут подаваться в соответствии с подачей сжатого газообразного СО₂, которая сопровождается образованием аэрозольных частиц сухого льда в расширительной камере.

В соответствии с еще одним аспектом системы здесь описан способ извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности. Создают аэрозольную смесь, включающую аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода, диспергированные в сжатом газе. Аэрозольную смесь направляют на целевую поверхность, включающую целевые частицы. Аэрозольные частицы ударяются о целевые частицы, обусловливая удаление целевых частиц с целевой поверхности и заставляя целевые частицы включаться в течение сжатого газа с аэрозольными частицами. Также создают всасывающее течение, в которое вовлекается поток целевых частиц, аэрозольных частиц и сжатого газа. Частицы, увлеченные всасывающим течением, собираются на фильтрующем субстрате. Способ также может включать подачу сжатого газа и аэрозольной смеси синхронизированными импульсами и подачу аэрозольных частиц в соответствии с синхронизированными импульсами. Способ также может включать комбинирование сжатого газа с аэрозольными частицами с образованием аэрозольной смеси. Всасывающее течение может быть создано с использованием всасывающего течения под разрежением в отверстие. Всасывающее течение под разрежением в отверстие может быть по окружности ограничено вращающимся вихревым потоком. Сжатый газ и аэрозольная смесь могут быть поданы синхронизированными импульсами от 0,01 секунды до 1 секунды.

Генератор аэрозоля может быть сопряжен с другими компонентами системы, используемыми в сочетании с детектором следовых количеств химических веществ. Применение аэрозольной смеси для удаления целевых частиц может быть проведено без оператора или протирания в контакте с целевой поверхностью.

Вариант исполнения системы удаления частиц может включать компонент удаления частиц, компонент транспортирования частиц и компонент улавливания частиц. Компонент удаления частиц может включать генератор аэрозоля, который оснащен источником сжатого газа для выдувания аэрозольных частиц замороженного диоксида углерода в сторону целевой поверхности, которая может быть загрязнена следовыми количествами частиц целевых химических веществ. Источник сжатого газа может действовать в импульсном режиме. Типичный импульс может составлять между 0,01 секунды и 1 секундой. Множество по меньшей мере из двух сопел может быть предусмотрено для направления аэрозольной смеси в сторону фокальной точки на коротком расстоянии вне целевой поверхности таким образом, что эта точка представляет собой объект компонента транспортирования частиц в системе удаления частиц.

Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут быть твердыми, но не жидкими. Частицы замороженного диоксида углерода могут возгоняться при температуре окружающей среды. Возгонка аэрозольных частиц замороженного диоксида углерода гарантирует, что они будут исчезать из компонента улавливания частиц, а также из окружающей среды вскоре после импульса.

Генератор аэрозоля может генерировать частицы для аэрозоля путем свободного расширения сжиженного диоксида углерода до уровня атмосферного давления, в результате чего образуются частицы замороженного диоксида углерода. Указанные замороженные частицы затем могут быть увлечены и смешаны с одновременно образующимся газообразным диоксидом углерода, или, необязательно, скомбинированы со вторым потоком из отдельного источника сжатого газа, используемого в качестве ускорителя.

Материал аэрозольных частиц замороженного диоксида углерода может быть выбран так, чтобы не вызывать существенного повреждения целевой поверхности. Аэрозольные частицы с высокой твердостью, такие как оксид кремния или оксид алюминия, являются абразивными и могут повреждать целевую поверхность в результате высокоскоростного ударного воздействия. Диоксид углерода представляет собой оксид и не имеет температуры воспламенения, что может быть отмечено как важная характеристика, когда работают с тонко измельченными материалами.

Аэрозольная смесь из замороженного диоксида углерода может быть нетоксичной и безопасной для людей и животных, если только аэрозоль не направлять в глаза. Аэрозольная смесь из замороженного диоксида углерода может подаваться импульсами во избежание чрезмерных выбросов в замкнутое пространство, поскольку остаточный газообразный диоксид углерода может вытеснять кислород из воздуха.

Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут оказывать ударное воздействие на целевые частицы на целевой поверхности и обеспечивать передачу импульса, достаточного для извлечения целевых частиц с целевой поверхности и увлечения их в струе газа, транспортирующего аэрозольные частицы. Извлеченные целевые частицы и аэрозольные частицы затем могут быть собраны компонентом транспортирования частиц. Аэрозольная смесь замороженного диоксида углерода может высвобождать целевые частицы по меньшей мере одним путем из: физического столкновения между аэрозольными частицами и целевыми частицами, резкой сублимации, создающей локальный импульс газа, когда аэрозольные частицы контактируют с поверхностью при комнатной температуре, импульса сжатого газа, сопровождающего аэрозольную смесь, и охлаждения целевой частицы так, что изменяются ее адгезивные свойства.

Компонент транспортирования частиц типично может представлять собой либо простое всасывающее течение под разрежением в отверстие, или всасывающее течение под разрежением в отверстие, которое по окружности ограничено вращающимся вихревым потоком. Аэрозольные частицы и извлеченные целевые частицы могут быть сметены во всасывающее течение под разрежением и затем могут быть транспортированы в улавливающую частицы среду, связанную с системой удаления частиц.

Компонент улавливания частиц может представлять собой любой из многообразных фильтров для частиц, обычно используемых в связи со способами улавливания частиц. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, сетчатый фильтр, трехмерную тканую сетку, фильтр, изготовленный из общеупотребительных фильтрующих материалов, абсорбирующую поверхность, которая может иметь химическое покрытие для усиления адгезии, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, и специально сконструированный материал с мелкими протравленными отверстиями для пропускания воздуха, но задерживания частиц.

Согласно описываемой здесь системе устройство для извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности включает резервуар для сжиженного и сжатого диоксида углерода, по меньшей мере один импульсный клапан, сообщающийся с указанным резервуаром, по меньшей мере одну расширительную камеру в сообщении с указанным по меньшей мере одним импульсным клапаном для формирования аэрозольной смеси из частиц замороженного диоксида углерода и газообразного диоксида углерода, по меньшей мере два сопла в сообщении с указанной по меньшей мере одной расширительной камерой для направления струй указанной аэрозольной смеси, по существу перекрывающихся в единичной фокальной точке ниже по потоку относительно указанных по меньшей мере двух сопел, создание разрежения, обеспечивающего всасывающее течение в отверстие, которое увлекает частицы из указанной аэрозольной смеси и целевые частицы, извлеченные путем ударного воздействия указанных частиц из указанной аэрозольной смеси, и улавливающую среду для накопления указанных частиц, увлеченных в указанном всасывающем течении. Всасывающее течение в отверстие может быть по окружности охвачено вращающимся вихревым потоком. Расширительная камера может включать входное отверстие, которое имеет меньшее поперечное сечение, чем выходное отверстие. Улавливающая среда может включать по меньшей мере фильтр, адсорбирующую поверхность с химическим покрытием, металлическую сетку, трехмерный металлический тканый материал, металлическую проволоку, металлическую фольгу, многослойный материал из металла и электрического изолятора и/или резистивное покрытие на субстрате. Улавливающая среда может быть размещена выше по потоку относительно указанного отверстия. Улавливающая среда может быть размещена внутри указанного отверстия. Резервуар может представлять собой контейнер под давлением для сжиженного газообразного диоксида углерода. Сжиженный диоксид углерода под движением может формировать аэрозольную смесь, когда он преобразуется отчасти в твердые частицы замороженного диоксида углерода и отчасти в газообразный диоксид углерода, при расширении в расширительной камере до атмосферного давления. Аэрозольная смесь может быть подана импульсами через предварительно заданные промежутки времени, и указанные аэрозольные частицы могут быть поданы в соответствии с подачей указанного сжатого газа. Клапан может создавать импульсы жидкого диоксида углерода, продолжительность которых составляет более 10 миллисекунд и менее 1 секунды. Разрежение может быть создано крыльчаткой всасывающего вихревого насоса. Устройство также может включать вторую подачу сжатого газа, чтобы способствовать транспортированию указанной аэрозольной смеси. Вторая подача сжатого газа может быть реализована добавлением в расширительную камеру или соосно с направлением течения из сопла и в направлении указанной аэрозольной смеси. Сжатый газ второй подачи может представлять собой воздух, азот, аргон и/или диоксид углерода. Устройство также может включать средство для помощи оператору в позиционировании устройства на оптимальном расстоянии от целевой поверхности. Средство для позиционирования устройства может представлять собой ультразвуковой дальномер, по меньшей мере две указки на основе твердотельного лазера, и/или датчик оптического отражения. Устройство также может включать средство для определения, достаточен ли поток жидкого диоксида углерода для улавливания целевых частиц. Средство для определения жидкостного потока может представлять собой температурный датчик, смонтированный на сопле, датчик оптического отражения, регистрирующий отражательную способность аэрозольной смеси, трансмиссионный оптический сенсор, регистрирующий непрозрачность аэрозольной смеси, и/или ультразвуковой датчик для измерения плотности жидкого или газообразного диоксида углерода.

Дополнительно, в соответствии с описываемой здесь системой, целевые частицы с целевой поверхности извлекают и улавливают в стадиях, в которых создают аэрозольную смесь замороженного диоксида углерода, включающую аэрозольные частицы, диспергированные в сжатом газе, направляют указанную аэрозольную смесь на указанную целевую поверхность, включающую указанные целевые частицы, причем указанные аэрозольные частицы оказывают ударное воздействие на указанные целевые частицы, обусловливая удаление указанных целевых частиц с указанной целевой поверхности и обеспечивая вовлечение указанных целевых частиц в поток указанного сжатого газа с указанными аэрозольными частицами, создают всасывающее течение, в которое направляются указанные потоки указанных целевых частиц, указанных аэрозольных частиц и указанного сжатого газа, и улавливают указанные частицы, увлеченные указанным всасывающим течением. Извлечение и улавливание целевых частиц с целевой поверхности также может включать подачу указанного сжатого газа синхронизированными импульсами, и подачу указанных аэрозольных частиц согласованно с указанными синхронизированными импульсами. Извлечение и улавливание целевых частиц с целевой поверхности также может включать комбинирование указанного сжатого газа с указанными аэрозольными частицами с образованием указанной аэрозольной смеси. Всасывающее течение может быть создано с использованием всасывающего течения под разрежением в отверстие. Всасывающее течение под разрежением в отверстие может быть ограничено по окружности вращающимся вихревым потоком.

Краткое описание чертежей

Система описана здесь с привлечением нескольких фигур из чертежей, в которых:

Фиг.1 представляет пример варианта исполнения системы воздушной струи для удаления следовых количеств частиц согласно прототипу.

Фиг.2 представляет пример варианта исполнения системы удаления следовых количеств частиц с использованием замороженного диоксида углерода, которая может быть использована в связи с раскрытыми здесь способами.

Фиг.3 представляет пример второго варианта исполнения системы удаления следовых количеств частиц с использованием замороженного диоксида углерода, которая может быть использована в связи с описанной здесь системой.

Фиг.4 представляет пример третьего варианта исполнения системы удаления следовых количеств частиц с использованием замороженного диоксида углерода, которая может быть использована в связи с описанной здесь системой.

Подробное описание

Теперь с привлечением Фиг.1 показан пример варианта исполнения системы 10 воздушной струи для удаления следовых количеств частиц согласно прототипу. Система 10 воздушной струи включает источник 11 сжатого газа, регулировочный клапан 12, соединительный трубопровод 13 и трубку 16 в сообщении с выходным соплом 17. Сжатый газ выходит из сопла 17 в зоне 18. Воздушную струю направляют с помощью сопла 17 в сторону целевой поверхности 19, где воздух сдувает частицы 20 с целевой поверхности 19, тем самым удаляя прилипшие частицы. Транспортирование частиц производят с помощью всасывающего насоса 21, втекающий поток которого увлекает как окружающий воздух, так и целевые частицы 20. Целевые частицы 20 собирают на фильтрующей среде 22. Когда образец был собран, фильтрующую среду 22 переносят к входному отверстию детектора следовых количеств химических веществ. Этот прототипный вариант исполнения имеет тот недостаток, что сдувающий воздух 18 недостаточен для удаления частиц с многих типов целевых поверхностей 19, и всасывающий насос 21 недостаточно обеспечивает транспортирование частиц из мест за пределами короткого расстояния от входного отверстия.

Теперь с привлечением Фиг.2 показан пример первого варианта исполнения системы улавливания следовых количеств частиц, которая может быть использована в связи с описываемыми здесь способами системы удаления частиц. В то время как различные варианты исполнения могут различаться в деталях, Фиг.2 показывает базовые признаки описываемой здесь системы. Система 100 улавливания частиц, иллюстрированная в Фиг.2, представляет собой ручную портативную систему, но принципы могут быть применимыми к более габаритным, немобильным системам. Часть системы, предназначенная для удаления частиц, состоит из резервуара 111 для сжиженного диоксида углерода, соединительного трубопровода 112, импульсного клапана 113, расширительной камеры 114, соединительного трубопровода 115 к соплу 116, и струи 117 аэрозольной смеси, содержащей частицы замороженного диоксида углерода и сжатый газ, направленной на целевую поверхность 118. Часть системы, предназначенная для транспортирования частиц, состоит из крыльчатки вентилятора 119, скомпонованного как всасывающий вихревой насос. Вентилятор 119 выдувает вытекающий наружу поток 120 воздуха, который закручивается вокруг оси крыльчатки вентилятора 119 и направляется в сторону целевой поверхности 118 с помощью окружающего корпуса 121. Втекающий внутрь поток 122 воздуха увлекает следовые количества частиц 123 и транспортирует их к улавливающему субстрату 124.

Хотя вариант исполнения, иллюстрированный в Фиг.2, включает три сопла 116 и соединительные трубопроводы 115, которые сведены к единичной расширительной камере 114, вариант исполнения компонента удаления частиц может включать переменное число этих компонентов, но при обеспечении по меньшей мере двух сопел для распределения аэрозольной смеси. Эти по меньшей мере два сопла 116 могут быть нацелены для фокусирования струй 117 аэрозольной смеси в общей для них точке, как показано в Фиг.2. Эта фокальная точка может быть расположена на коротком расстоянии от целевой поверхности 118. Будучи конфигурированными таким образом, струи 117 аэрозольной смеси взаимодействуют друг с другом и с целевой поверхностью 118, и значительная часть струи 117 аэрозольной смеси отражается обратно в сторону улавливающего субстрата 124. Если бы использовали только одно сопло 116, то взаимодействие струи 117 аэрозольной смеси и целевой поверхности 118 могло бы вызывать радиальное растекание струи 117 скорее наружу параллельно целевой поверхности 118, нежели в сторону улавливающего субстрата 124.

Аэрозольные частицы могут представлять собой замороженный диоксид углерода. Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут возгоняться при комнатной температуре. Выход сжиженного диоксида углерода из импульсного клапана 113 в расширительную камеру 114 позволяет первой порции жидкости поглощать энергию и превращаться в газообразный диоксид углерода, и второй порции жидкости выделять энергию и замерзать в мелкие частицы замороженного диоксида углерода, тем самым формируя струю 117 аэрозольной смеси.

Аэрозольная смесь 117 из замороженного диоксида углерода может быть выбрана так, чтобы не причинить значительного повреждения целевой поверхности. Например, полупроводниковую кремниевую пластину с созданной картиной схемного устройства в основном можно подвергать воздействию струи без ущерба для схемы. Аэрозольная смесь 117 из диоксида углерода представляет собой оксид и не имеет температуры воспламенения, что может быть отмечено как важная характеристика при работах с тонко измельченными материалами. Струя аэрозольной смеси 117 из диоксида углерода содержит газообразный диоксид углерода, который вытесняет кислород и не поддерживает горение. Аэрозольная смесь 117 из диоксида углерода может быть нетоксичной и безопасной для людей и животных, если только не направлять ее в глаза. Аэрозольная смесь 117 из замороженного диоксида углерода может подаваться импульсами во избежание чрезмерных выбросов в замкнутое пространство, поскольку остаточный газообразный диоксид углерода может вытеснять кислород из воздуха.

Варианты исполнения генератора аэрозоля, иллюстрированные в связи с Фиг.2-4, включают источник сжатого газа для выдувания струи аэрозольных частиц в сторону целевой поверхности, которая может быть загрязнена следовыми количествами целевых химических веществ, таких как наркотики или взрывчатые вещества. Источник сжатого газа может действовать непрерывно или может работать в импульсном режиме. Типичный импульс может составлять между 0,01 секунды и 1 секундой так, чтобы газ и аэрозольные частицы поступали в соответствии с заданным импульсным режимом.

Кроме газообразного диоксида углерода, выпускаемого из расширительной камеры 114, необязательно может быть скомбинирован дополнительный источник сжатого газа, чтобы действовать в качестве ускорителя, чтобы изолировать частицы замороженного диоксида углерода от окружающего теплого воздуха и тем самым замедлять сублимацию, или для обеспечения струе аэрозольной смеси возможности распространяться на большее расстояние от сопла. Необязательный дополнительный источник сжатого газа может быть скомбинирован с аэрозольной смесью из диоксида углерода в расширительной камере 114, или же он может быть реализован как коаксиально окружающий поток из отверстия сопла 116 и ориентированный по существу параллельно его направлению и соответственно таковому. Давление необязательного сжатого газа может составлять менее 120 фунтов на квадратный дюйм (0,827 МПа), причем это значение без труда получают с использованием маленьких компрессоров. Значительно более высокие или низкие давления также могут быть использованы в соответствии с доступностью, стоимостью и нормами техники безопасности для сжатых газов. Например, газовый баллон под высоким давлением может быть неприемлемым в общественном месте вследствие опасности взрыва в случае неправильного обращения. В варианте исполнения может быть использован любой из многочисленных различных газов, включающих, например, воздух, азот, аргон и диоксид углерода. В варианте исполнения можно также применять один или более из вышеуказанных газов по отдельности или в сочетании с одним или более другими газами.

Сопла 116, 216 и 316 в Фиг.2-4 предназначены для направления смеси аэрозольных частиц и выдувающего газа в сторону точки на целевой поверхности так, что эта точка представляет собой объект компонента транспортирования частиц в системе удаления частиц, что более подробно описано в последующих абзацах.

Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут оказывать ударное воздействие на целевые частицы на целевой поверхности и обеспечивать передачу импульса, достаточного для извлечения целевых частиц с целевой поверхности и увлечения их в сопровождающем потоке газообразного диоксида углерода, транспортирующего аэрозольные частицы. Извлеченные целевые частицы и аэрозольные частицы затем могут быть собраны компонентом транспортирования частиц. Аэрозольная смесь замороженного диоксида углерода может высвобождать целевые частицы по меньшей мере одним путем из: физического столкновения между аэрозольными частицами и целевыми частицами, резкой сублимации, создающей локальный импульс газа, когда аэрозольные частицы контактируют с поверхностью при комнатной температуре, импульса сжатого газа, сопровождающего аэрозольную смесь, и охлаждения целевой частицы так, что изменяются ее адгезивные свойства.

Улавливающий субстрат 124 может представлять собой любой из множества различных материалов, или может варьировать в соответствии с тем, предусматривает ли вариант исполнения сообщение электрического заряда улавливающей среде 124. Улавливающая среда может представлять собой фильтр. Улавливающая среда может включать одно или более из следующего: адсорбирующую поверхность с химическим покрытием, металлическую сетку, трехмерный металлический тканый материал, металлическую проволоку, металлическую фольгу, многослойный материал из металла и электрического изолятора и/или резистивное покрытие на субстрате. Примеры электрически непроводящей улавливающей среды включают материалы, изготовленные из хлопка, бумаги, арамидов, полиимидов, фторуглеродов и оксида кремния. Примеры металлов и металлических покрытий включают нержавеющую сталь, алюминий, титан, никель, хром, серебро, углерод, платину и золото.

Компонент улавливания частиц может представлять собой любой из многочисленных способов, используемых в связи с улавливанием частиц. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, сетчатый фильтр, трехмерную тканую сетку, фильтр, изготовленный из общеупотребительных фильтрующих материалов, абсорбирующую поверхность, которая может иметь химическое покрытие для усиления адгезии, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, и специально сконструированный материал с мелкими протравленными отверстиями для пропускания воздуха или еще одного газа, но который также способен задерживать частицы.

В одном варианте исполнения компонент транспортирования частиц может представлять собой, например, простое всасывающее течение под разрежением в сопло или всасывающее течение под разрежением в сопло, которое по окружности ограничено вращающимся вихревым потоком. Аэрозольные частицы и извлеченные целевые частицы могут быть сметены во всасывающее течение под разрежением и затем могут быть транспортированы в улавливающую частицы среду, связанную с системой удаления частиц.

Теперь с привлечением Фиг.3 показан пример второго варианта исполнения системы улавливания следовых количеств частиц, которая может быть использована в связи с описываемыми здесь способами системы удаления частиц. В то время как различные варианты исполнения могут различаться в деталях, Фиг.3 показывает базовые признаки описываемой здесь системы. Система 200 улавливания частиц, иллюстрированная в Фиг.3, представляет собой ручную портативную систему, но принципы могут быть применимыми к более габаритным, немобильным системам. Часть системы, предназначенная для удаления частиц, состоит из резервуара 211 для сжиженного диоксида углерода, соединительного трубопровода 212, импульсного клапана 213, расширительной камеры 214, соединительного трубопровода 215 к соплу 216 и струи 217 аэрозольной смеси, содержащей частицы замороженного диоксида углерода и сжатого газообразного диоксида углерода, направленной на целевую поверхность 218. Часть системы, предназначенная для транспортирования частиц, состоит из крыльчатки вентилятора 219, скомпонованного как всасывающий вихревой насос. Вентилятор 219 выдувает вытекающий наружу поток 220 воздуха, который закручивается вокруг оси крыльчатки вентилятора 219 и направляется в сторону целевой поверхности 218 с помощью окружающего корпуса 221. Втекающий внутрь поток 222 воздуха увлекает следовые количества частиц 223 и транспортирует их к улавливающему субстрату 224.

Фиг.3 дополнительно иллюстрирует применение устройства, предназначенного для определения оператором оптимального расстояния от системы улавливания следовых количеств частиц до целевой поверхности 218. В этом варианте исполнения два твердотельных лазера 225 создают свои лучи 226, ориентированные для схождения в общей фокальной точке, когда целевая поверхность 218 находится на надлежащем расстоянии. В других возможных вариантах исполнения могут быть применены ультразвуковой дальномер или датчик оптического отражения. Эти другие возможные варианты исполнения требуют применения устройства для информирования оператора, когда достигнуто оптимальное расстояние. Устройство может быть в форме визуального оповещения, такой как индикатор с подсветкой шкалы, в форме слышимого оповещения, такой как характерный звук, или в тактильной форме, такой как вибратор.

Следует отметить, что индикатор оптимального расстояния может представлять собой любой из множества различных типов сенсоров, в соответствии с конкретными условиями применения при использовании описываемых здесь способов, и/или описанных в патентах и/или в находящихся на рассмотрении патентных заявках, которые включены здесь ссылкой.

Теперь с привлечением Фиг.4 показан пример третьего варианта исполнения системы улавливания следовых количеств частиц, которая может быть использована в связи с описываемыми здесь способами системы удаления частиц. В то время как различные варианты исполнения могут различаться в деталях, Фиг.4 показывает базовые признаки описываемой здесь системы. Система 300 улавливания частиц, иллюстрированная в Фиг.4, представляет собой ручную портативную систему, но принципы могут быть применимыми к более габаритным, немобильным системам. Часть системы, предназначенная для удаления частиц, состоит из резервуара 311 для сжиженного диоксида углерода, соединительного трубопровода 312, импульсного клапана 313, расширительной камеры 314, соединительного трубопровода 315 к соплу 316 и струи 317 аэрозольной смеси, содержащей частицы замороженного диоксида углерода и сжатого газообразного диоксида углерода, направленной на целевую поверхность 318. Часть системы, предназначенная для транспортирования частиц, состоит из крыльчатки вентилятора 319, скомпонованного как всасывающий вихревой насос. Вентилятор 319 выдувает вытекающий наружу поток 320 воздуха, который закручивается вокруг оси крыльчатки вентилятора 319 и направляется в сторону целевой поверхности 318 с помощью окружающего корпуса 321. Втекающий внутрь поток 322 воздуха увлекает следовые количества частиц 323 и транспортирует их к улавливающему субстрату 324.

Фиг.4 дополнительно иллюстрирует применение датчика сжиженного диоксида углерода, предназначенного для сообщения оператору информации о том, когда сжиженный диоксид углерода заканчивается, и аэрозольная смесь с диоксидом углерода больше не может быть приготовлена. В этом варианте исполнения используют трансмиссионный оптический сенсор 326 в соединительном трубопроводе 315. Трансмиссионный оптический сенсор 326 отслеживает содержимое соединительного трубопровода 315 через прозрачную секцию соединительного трубопровода 315. Если в соединительный трубопровод 315 поступает только газообразный диоксид углерода, содержимое будет оптически прозрачным и дает первый уровень сигнала. Если трубопровод содержит аэрозольную смесь из диоксида углерода, содержимое будет оптически отражающим и дает второй уровень сигнала.

В других возможных вариантах исполнения может быть предусмотрен датчик сжиженного диоксида углерода. Например, температурный датчик может быть смонтирован на сопле для регистрации холодной температуры, обусловленной замороженным диоксидом углерода, датчик оптического отражения может отмечать разницу в коэффициентах отражения газообразного диоксида углерода сравнительно с аэрозольной смесью диоксида углерода, и ультразвуковой датчик может быть использован для регистрации присутствия сжиженного диоксида углерода с более высокой плотностью по сравнению с газообразным диоксидом углерода.

Все из возможных вариантов исполнения для установки датчика сжиженного диоксида углерода требуют применения устройства для информирования оператора, когда сжиженный диоксид углерода заканчивается. Устройство может быть в форме визуального оповещения, такой как индикатор с подсветкой шкалы, в форме слышимого оповещения, такой как характерный звук, или в тактильной форме, такой как вибратор.

Описанная здесь система может включать другие признаки, такие как признаки, описанные в принадлежащих заявителю находящихся на рассмотрении и/или выданных патентах США и/или патентных заявках, включенных здесь ссылкой, в том числе без ограничения признаки, описанные в принадлежащих заявителю патентах США: Патент США № 7,098,672 на имя Belyakov и др., озаглавленный “Flash vapor sampling for a trace chemical detector” («Отбор образцов мгновенным испарением для детектора следовых количеств химических веществ»), Патент США № 7,244,288 на имя Belyakov и др., озаглавленный “Pulsed vapor desorber” («Импульсный паровой десорбер»), Патент США № 6,888,128 на имя Krasnobaev и др., озаглавленный “Virtual wall gas sampling for an ion mobility spectrometer” («Газоотборное устройство с виртуальной стеной для спектрометра ионной подвижности»), Патент США № 6,870,155 на имя Krasnovaev и др., озаглавленный “Modified vortex for an ion mobility spectrometer” («Модифицированный вихрь для спектрометра ионной подвижности»), Патент США № 6861646 на имя Motchkine и др., озаглавленный “Cyclone sampling nozzle for an ion mobility spectrometer” («Циклонная пробоотборная насадка для спектрометра ионной подвижности»), и Патент США № 6828795 на имя Krasnobaev и др., озаглавленный “Explosive detection system” («Система детектирования взрывчатых веществ»), Опубликованная патентная заявка США № 2006-0214580 A1 на имя Bunker и др., озаглавленная “Photoelectric ion source photocathode regeneration system” («Система регенерации фотокатода фотоэлектрического источника ионов»), и Опубликованная патентная заявка США № 2003-0155504 A1 на имя Motchkine и др., озаглавленная “Radiative sample warming for an ion mobility spectrometer” («Радиационный нагрев образца для спектрометра ионной подвижности»), все из которых включены здесь ссылкой.

Другие варианты осуществления изобретения будут очевидными квалифицированным специалистам в этой области технологии по прочтении описания или при практической реализации раскрытого здесь изобретения. Предполагается, что описание и примеры должны рассматриваться только как примерные, причем подлинные область и смысл изобретения указаны в нижеследующих пунктах формулы изобретения.

Группа изобретений относится к ручному портативному устройству для извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности и способу осуществления извлечения и улавливания целевых частиц с использованием данного устройства. Устройство включает резервуар со сжиженным и находящимся под давлением диоксидом углерода и по меньшей мере один импульсный клапан в сообщении с указанным резервуаром. Также устройство включает по меньшей мере одну расширительную камеру в сообщении с по меньшей мере одним импульсным клапаном для формирования аэрозольной смеси из частиц замороженного диоксида углерода и газообразного диоксида углерода. В сообщении с по меньшей мере одной расширительной камерой находятся по меньшей мере два сопла, предназначенные для направления струи аэрозольной смеси для перекрывания по существу в единичной фокальной точке ниже по потоку относительно по меньшей мере двух сопел. В устройстве предусмотрен компонент транспортирования частиц, обеспечивающий всасывающее течение в отверстие, которое увлекает частицы из аэрозольной смеси и целевые частицы, извлеченные ударным воздействием на частицы аэрозольной смеси. Также устройство содержит улавливающую среду для накопления частиц, увлеченных во всасывающем течении, и средство для помощи оператору в позиционировании устройства на оптимальном расстоянии от целевой поверхности. Причем оптимальное расстояние определяется общей фокальной точкой струй аэрозольной смеси из по меньшей мере двух сопел, расположенных вне целевой поверхности. Достигаемый при этом технический результат заключается в увеличении точности и скорости анализа частиц поверхности при снижении стоимости работ. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ручное портативное устройство для извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности, причем устройство включает:
резервуар со сжиженным и находящимся под давлением диоксидом углерода;
по меньшей мере один импульсный клапан в сообщении с указанным резервуаром;
по меньшей мере одну расширительную камеру в сообщении с указанным по меньшей мере одним импульсным клапаном для формирования аэрозольной смеси из частиц замороженного диоксида углерода и газообразного диоксида углерода;
по меньшей мере два сопла в сообщении с указанной по меньшей мере одной расширительной камерой для направления струи указанной аэрозольной смеси для перекрывания, по существу, в единичной фокальной точке ниже по потоку относительно указанных по меньшей мере двух сопел;
компонент транспортирования частиц, обеспечивающий всасывающее течение в отверстие, которое увлекает частицы из указанной аэрозольной смеси и целевые частицы, извлеченные ударным воздействием на указанные частицы указанной аэрозольной смеси;
улавливающую среду для накопления частиц, увлеченных во всасывающем течении; и средство для помощи оператору в позиционировании ручного портативного устройства на оптимальном расстоянии от целевой поверхности, причем оптимальное расстояние определяется общей фокальной точкой струй аэрозольной смеси из по меньшей мере двух сопел, расположенных вне целевой поверхности.

2. Устройство по п.1, в котором указанное всасывающее течение в отверстие охвачено по окружности вращающимся вихревым потоком.

3. Устройство по п.1, в котором указанная расширительная камера включает входное отверстие, которое имеет меньшее поперечное сечение, чем выходное отверстие.

4. Устройство по п.1, в котором улавливающая среда включает по меньшей мере одно из фильтра, адсорбирующей поверхности с химическим покрытием, металлической сетки, трехмерного металлического тканого материала, металлической проволоки, металлической фольги, многослойного материала из металла и электрического изолятора или резистивного покрытия на субстрате.

5. Устройство по п.1, в котором улавливающую среду размещают выше по потоку относительно указанного отверстия.

6. Устройство по п.1, в котором улавливающую среду размещают внутри указанного отверстия.

7. Устройство по п.1, в котором указанный резервуар представляет собой контейнер под давлением со сжиженным газообразным диоксидом углерода.

8. Устройство по п.1, в котором указанный сжатый сжиженный диоксид углерода формирует аэрозольную смесь, когда его преобразуют отчасти в твердые частицы замороженного диоксида углерода и отчасти в газообразный диоксид углерода, при расширении до атмосферного давления в расширительной камере.

9. Устройство по п.8, в котором указанную аэрозольную смесь подают в импульсном режиме с предварительно заданными временными интервалами, и частицы указанной аэрозольной смеси поступают в соответствии с подачей указанного сжатого газа.

10. Устройство по п.9, в котором указанный клапан обеспечивает импульсы сжиженного диоксида углерода с продолжительностью более 10 мс и менее 1 с.

11. Устройство по п.1, в котором указанный компонент транспортирования частиц включает крыльчатку вентилятора, скомпонованного как всасывающий вихревой насос.

12. Устройство по п.1, дополнительно включающее вторую подачу сжатого газа, чтобы способствовать транспортированию указанной аэрозольной смеси.

13. Устройство по п.12, в котором указанную вторую подачу сжатого газа реализуют по меньшей мере одним путем из: добавления в указанную расширительную камеру, введением коаксиально с направлением и в направлении течения из указанного сопла для указанной аэрозольной смеси.

14. Устройство по п.12, в котором указанная вторая подача сжатого газа представляет собой по меньшей мере одно из: воздуха, азота, аргона, диоксида углерода.

15. Устройство по п.1, в котором указанное средство для позиционирования устройства представляет собой по меньшей мере одно из: ультразвукового дальномера, по меньшей мере двух указок на основе твердотельного лазера или датчика оптического отражения.

16. Устройство по п.1, дополнительно включающее средство для определения, достаточен ли поток сжиженного диоксида углерода для улавливания целевых частиц.

17. Устройство по п.16, в котором указанное средство для определения жидкостного потока представляет собой по меньшей мере одно из: температурного датчика, смонтированного на сопле, датчика оптического отражения, регистрирующего отражательную способность аэрозольной смеси, трансмиссионного оптического сенсора, регистрирующего непрозрачность аэрозольной смеси, ультразвукового датчика для измерения плотности жидкого или газообразного диоксида углерода.

18. Способ извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности с использованием ручного портативного устройства, причем способ включает стадии, в которых:
в ручном портативном устройстве создают аэрозольную смесь замороженного диоксида углерода, включающую аэрозольные частицы, диспергированные в сжатом газе;
направляют указанную аэрозольную смесь из ручного портативного устройства на указанную целевую поверхность, включающую указанные целевые частицы, причем указанные аэрозольные частицы оказывают ударное воздействие на указанные целевые частицы, обусловливая удаление указанных целевых частиц с указанной целевой поверхности и обеспечивая включение указанных целевых частиц в поток указанного сжатого газа с указанными аэрозольными частицами;
используют позиционирующее устройство для помощи оператору в позиционировании ручного портативного устройства на оптимальном расстоянии от целевой поверхности, причем оптимальное расстояние определяется общей фокальной точкой струй аэрозольной смеси из по меньшей мере двух сопел, расположенных вне целевой поверхности;
создают всасывающее течение, в которое направляются указанные потоки указанных целевых частиц, указанных аэрозольных частиц и указанного сжатого газа; и улавливают указанные частицы, увлеченные указанным всасывающим течением, направленным на субстрат.

19. Способ по п.18, дополнительно включающий стадии, в которых:
подают указанный сжатый газ синхронизированными импульсами; и
подают указанные аэрозольные частицы в соответствии с указанными синхронизированными импульсами.

20. Способ по п.19, дополнительно включающий стадию, в которой:
комбинируют указанный сжатый газ с указанными аэрозольными частицами с образованием указанной аэрозольной смеси.

21. Способ по п.18, в котором указанное всасывающее течение создают с использованием всасывающего течения под разрежением в отверстие.

22. Способ по п.21, в котором указанное всасывающее течение под разрежением в отверстие ограничено по окружности вращающимся вихревым потоком.