ИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОСИГНАЛИЗАТОР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2012 года по МПК G01N27/64 

Изобретение относится к газосигнализаторам для порогового обнаружения в воздухе паров и аэрозолей токсичных и отравляющих веществ.

Известен фотоионизационный газосигнализатор, действие которого основано на изменении ионизационного тока в интегральном ионизационном преобразователе концентрации (ИПК) за счет прямой ионизации молекул анализируемого вещества ультрафиолетовым излучением (приборы «Колион», «АНТ» и другие). Однако этот метод не позволяет обнаруживать пары отравляющих веществ и аэрозоли при концентрациях ниже 0,1 мг/м³ и при наличии мешающих компонентов.

Известен ионизационный газосигнализатор «ГСА-3», в котором ионизация воздуха осуществляется в интегральном ИПК источником ионизации на основе Рu²³⁹ с максимально возможной плотностью излучения с единицы поверхности и измерением полного ионизационного тока. Этот ионизационный газосигнализатор обладает более высокими по сравнению с предыдущими аналогами чувствительностью и специфичностью при меньшем весе и энергопотреблении, но в нем содержится α-радиоактивный источник, являющийся высоко токсичным в биологическом отношении. Это требует специальных мер предосторожности, особого учета и контроля из-за высокой интенсивности излучения. Высокая мощность ионизирующего излучения так же снижает стабильность работы газосигнализатора в связи с большой концентрацией сильных окислителей (озон, окислы азота), образующихся при облучении воздуха α-частицами и изменяющих состояние поверхностей электродов.

Повышение специфичности измерения возможно при импульсной сепарации ионов и разделении их по подвижности. Известен (RU 2176080) интегральный ионизационный детектор, содержащий проточную ионизационную камеру, в корпусе которой расположены радиоактивный источник ионов, электроды, и измерительную схему с генераторами импульсов. Радиоактивный источник ионов дополнительно снабжен модулирующим электродом, расположенным коаксиально вдоль продольной оси камеры, и соединен с первым генератором импульсов, а другие электроды, нейтрализации и собирающий, последовательно расположены перпендикулярно продольной оси камеры. Электрод нейтрализации, представляющий собой сборку из нескольких электропроводящих сеток, соединен со вторым генератором импульсов, а собирающий электрод, выполненный из электропроводящей сетки, соединен с измерительной схемой, при этом все три электрода изолированы от корпуса.

Недостатком данного изобретения является наличие мощного α-радиоактивного источника ионизации, возможность регистрации ионов только одной полярности, отсутствие селекции ионов по подвижности и, следовательно, чрезвычайно низкая специфичность. Дополнительным недостатком является также сильная зависимость сигнала от расхода газа, так как движение ионов обеспечивается только линейной скоростью потока газа.

Таким образом, задача изобретения состояла в создании высокоспецифичного, стабильного и чувствительного ионизационного газосигнализатора паров веществ и аэрозолей, имеющего источник ионизации с низкой активностью.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена принципиальная схема газосигнализатора. На фиг.2 изображены схематично импульсы с выхода генератора знакопеременных импульсов.

Газосигнализатор состоит из корпуса 1, в котором находится изолирующий фланец 2, в котором установлены центральный электрод 3 и наружный коаксиальный цилиндрический электрод 4. Корпус закрыт экранирующим кожухом 5. Коаксиальный электрод 4 и экранирующий кожух 5 имеют отверстия для прохода воздуха. На центральном электроде установлен радиоизотопный β источник 6 малой активности менее 1МЗА, например Ni⁶³ (активность менее 100 МБк). Центральный электрод 3 соединен с генератором знакопеременных импульсов 7, а коаксиальный электрод 4 соединен с усилителем тока 8. Выход с усилителя тока 8 поступает на схему обработки сигнала 9. Газосигнализатор снабжен микропроцессорным блоком 12 для управления работой генератора 7. Газосигнализатор работает следующим образом. Первичная ионизация анализируемого воздуха происходит в узкой области 10 в районе центрального электрода, в результате которой происходит образование положительных и отрицательных ионов, так называемых «реактант-ионов». В районе центрального электрода формируется первичное «облако» 10 из положительных и отрицательных ионов. При приложении к центральному электроду 3 напряжения, ионы противоположного знака начинают быстро дрейфовать в сторону коаксиального электрода 4. При приложении к центральному электроду знакопеременных прямоугольных импульсов напряжения среднее за период импульсов значение ионного тока положительных и отрицательных реактант-ионов, измеряемого на цилиндрическом электроде 4 постоянно и принимается за условное нулевое значение. Так как вследствие коаксиальной геометрии камеры в области центрального электрода 3 скорость движения ионов велика и далее снижается как 1/r, то основные процессы ионно-молекулярного взаимодействия между «реактант-ионами» и молекулами анализируемого вещества протекают в пространстве 11. При появлении в воздухе анализируемого вещества, молекулы которого обладают большим, чем реактант-ионы сродством к электрону или протону, в зоне 11 за счет ионно-молекулярных реакций образуются ионы (ионные кластеры) анализируемых веществ. Концентрация реактант-ионов соответствующей полярности уменьшается, а ионов (ионных кластеров) анализируемых веществ увеличивается. При этом общее число ионов остается постоянным. Ток, измеряемый на цилиндрическом электроде 4, является суммой токов реактант-ионов обеих полярностей и ионов (ионных кластеров) анализируемого вещества. Так как подвижность ионов и ионных кластеров анализируемого вещества значительно ниже, чем подвижность реактант-ионов, то сила тока уменьшается. Полярность результирующего тока относительно установленного условного нулевого значения определяется знаком оставшихся реактант-ионов. Например, при появлении в воздухе веществ, имеющих высокое сродство к протону, снижается число положительно заряженных реактант-ионов высокой подвижности, увеличивается число ионов (ионных кластеров) анализируемого вещества и суммарный ток сдвигается в область отрицательных значений относительно условного ноля. Величина изменения тока пропорциональна концентрации анализируемого вещества в пределах диапазона измерения.

Так как начальная концентрация «реактант-ионов» мала вследствие низкой активности источника ионизации, то даже небольшое изменение подвижности ионов приведет к значительному изменению силы тока.

Амплитуда напряжения и длительность импульсов обеих полярностей задается блоком 12 таким образом, чтобы длительность импульсов была ограничена снизу временем движения ионов анализируемого вещества между электродами 3 и 4, а сверху - характерным временем ионно-молекулярных реакций между реактант-ионами и молекулами веществ, мешающих анализу (мешающих компонентов). Эти ограничения обеспечивают высокую чувствительность и специфичность газосигнализатора. Так, для диаметров центрального и коаксиального электродов 3 и 32 мм соответственно при амплитуде напряжения 200 В и длительности импульсов 8,5 мсек обеспечивается специфичность обнаружения зарина, зомана, Vx (ФОВ) на уровне 10⁵, иприта -10⁴ при чувствительности 5*10^-3 мг/м³. Активность источника - 33МБк (0,3 МЗА). Обнаружение ФОВ и иприта производится на разных полярностях изменения тока.

Изобретение относится к газосигнализаторам для порогового обнаружения в воздухе паров и аэрозолей токсичных и отравляющих веществ. Газосигнализатор содержит корпус 1, электроды 3 и 4, радиоизотопный источник 6 излучения, генератор 7 импульсов и схему 8 измерения. Отличительной особенностью газосигнализатора является то, что он содержит центральный электрод 3 на котором установлен радиоизотопный источник ионизации Ni⁶³, имеющий активность менее 1 МЗА (минимальная значимая активность), который соединен с генератором 7 знакопеременных импульсов, и установленный коаксиально к центральному электроду 3 собирающий электрод 4, соединенный со схемой 8 измерения. Предложен также способ работы газосигнализатора, характеризующийся тем, что амплитуда напряжения и длительность импульсов обоих полярностей задается с помощью микропроцессорного блока 12 таким образом, чтобы длительность импульсов была больше, чем время движения ионов анализируемых веществ между центральным 3 и собирающим 4 электродами и меньше характерного времени ионно-молекулярных реакций между реактант-ионами и молекулами веществ, мешающих анализу. Изобретение обеспечивает повышение специфичности, стабильности и чувствительности газосигнализатора. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ионизационный газосигнализатор, содержащий корпус, электроды, радиоактивный источник излучения, генератор импульсов и схему измерения, соединенную с одним из электродов, отличающийся тем, что он содержит центральный электрод, на котором установлен радиоизотопный источник ионизации, имеющий активность менее 1 МЗА (минимальная значимая активность), соединенный с генератором знакопеременных импульсов и установленный коаксиально к нему собирающий электрод, соединенный со схемой измерения.

2. Газосигнализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве радиоизотопного источника ионизации использован Ni⁶³.

3. Газосигнализатор по п.1, отличающийся тем, что генератор знакопеременных импульсов снабжен микропроцессорным блоком, задающим амплитуду и длительность импульсов.

4. Газосигнализатор по п.3, отличающийся тем, что схема измерения включает усилитель тока, выход которого соединен с блоком обработки сигнала.

5. Газосигнализатор по п.1, отличающийся тем, что центральный электрод установлен в изолированном фланце, установленном перпендикулярно ему и собирающему электроду.

6. Газосигнализатор по п.5, отличающийся тем, что он снабжен экранирующим кожухом, соединенным с изолирующим фланцем и имеющим отверстия для прохода воздуха.

7. Способ работы ионизационного газосигнализатора, отличающийся тем, что амплитуда напряжения и длительность импульсов обеих полярностей задаются с помощью микропроцессорного блока таким образом, чтобы длительность импульсов была больше, чем время движения ионов анализируемых веществ между центральным и собирающим электродами, и меньше характерного времени ионно-молекулярных реакций между реактант-ионами и молекулами веществ, мешающих анализу (мешающие компоненты).