СПОСОБ ЦИКЛИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ИОНОВ В ГАЗАХ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач скоростного циклического разделения и регистрации ионов в газе, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе. Изобретение может быть также использовано как основа для газохроматографического детектирования.

Известен способ разделения и регистрации ионов в газе, включающий разделение ионов различных типов с помощью знакопеременного периодического несимметричного по полярности электрического поля и регистрацию разделенных ионов [а.с. СССР №966583, опубл. 15.10.1982]. Разделение ионов происходит вследствие различия их подвижностей в полях малой и высокой напряженностей.

Основными недостатками этого технического решения являются низкие разрешающая способность и точность идентификации, обусловленные диффузионным расплыванием и рекомбинацией ионов в объеме газа.

Известны способы разделения и регистрации ионов в газах, включающие разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю [патенты США: №5420424, опубл. 30.05.95; №6504149, опубл. 07.01.03; №6653627, опубл. 25.11.03; №6639212, опубл. 28.10.03; №6774360, опубл. 27.03,03; №6815668, опубл.18.10.01; №6972407, опубл. 06.12.05; №7005632, опубл. 20.05.04; №7355170, опубл. 08.04.08, №7619214, опубл. 17.11.09].

Недостатками данных технических решений являются низкие воспроизводимость и точность анализа, связанные с нецикличностью варьирования однонаправленного электрического поля.

Наиболее близким является способ циклического разделения и регистрации ионов в газах, включающий разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю [патент США №6124595, опубл. 26.09.2000].

Недостатком данного технического решения является невозможность или малая достоверность обнаружения и идентификации веществ, ионные пики которых расположены в начале цикла варьирования однонаправленного электрического поля, при высокой скорости варьирования этого поля.

Этот недостаток обусловлен тем, что при циклическом варьировании однонаправленного электрического поля при переходе от конечного значения предыдущего цикла напряженности однонаправленного электрического поля к начальному значению напряженности последующего цикла из пространства между электродами потоком газа на регистрацию одновременно транспортируются типы ионов, для которых оптимальным является конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, и типы ионов с оптимальным начальным значением напряженности указанного поля. Это происходит до тех пор, пока из пространства между электродами не будут полностью удалены ионы с оптимальным конечным значением напряженности поля. Удаление ионов происходит вследствие действия потока газа и однонаправленного электрического поля, диффузии и рекомбинации их на электродах.

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности обнаружения и идентификации веществ, ионные пики которых расположены в начале цикла варьирования однонаправленного электрического поля.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение достоверности обнаружения и идентификации веществ, ионные пики которых расположены в начале цикла варьирования однонаправленного электрического поля, вследствие удаления всех типов ионов перед началом цикла варьирования однонаправленного электрического поля.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе циклического разделения и регистрации ионов в газах, включающем разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений напряженности, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю, согласно изобретению по первому варианту запуск последующего цикла варьирования осуществляют через интервал времени задержки после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного электрического поля.

Интервал времени задержки выбирают в зависимости от величины тока ионов, для которых оптимально конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, исходя из условия: чем больше величина тока этих ионов, тем больше интервал времени задержки.

Интервал времени задержки выбирают в зависимости от разницы напряженностей конечного и начального значений напряженности однонаправленного электрического поля, исходя из условия: чем меньше разница, тем больше интервал времени задержки.

Интервал времени задержки t выбирают исходя из неравенства:

t≥d²/(K|U_н-U_к), где

d - расстояние между протяженными электродами, см²; K - коэффициент подвижности ионов, для которых оптимальным является конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, см²/(Вс); U_н, U_к - начальное и конечное значения разности потенциалов между протяженными электродами, B.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе, включающем разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений напряженности, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю, согласно изобретению по второму варианту в зависимости от скорости варьирования однонаправленного электрического поля начальное значение напряженности этого поля выбирают таким, чтобы при указанной скорости варьирования к моменту регистрации в спектре первого пика вещества, подлежащего контролю, прошло время, достаточное для удаления всех типов ионов, попавших в поток газа в предыдущем цикле варьирования однонаправленного электрического поля.

Начальное значение напряженности однонаправленного электрического поля выбирают в зависимости от величины тока ионов, для которых оптимально конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, исходя из условия: чем больше величина тока этих ионов, тем больше разница между начальным значением напряженности поля и значением напряженности поля, характеризующего в спектре первый пик вещества, подлежащего контролю.

Начальное значение напряженности однонаправленного электрического поля выбирают в зависимости от величины скорости варьирования исходя из условия: чем больше скорость варьирования, тем больше разница между начальным значением напряженности поля и значением напряженности поля, характеризующего в спектре первый пик вещества, подлежащего контролю.

Начальное значение напряженности однонаправленного электрического поля выбирают исходя из неравенства:

|U_н-U_к||U_н-U_n|≥d²V_c/K, где

U_n - значение разности потенциалов между протяженными электродами, оптимальное для первого пика вещества, подлежащего контролю, B; V_c - скорость варьирования однонаправленного напряжения, B/с.

Преимущества настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые фигуры, где:

фиг.1 - спектры (спектр - зависимость ионного тока I от величины однонаправленного напряжения U_c, равного разности потенциалов на электродах, вследствие приложения которых к электродам возникает однонаправленное электрическое поле) паров смеси взрывчатых веществ пентаэритриттетранитрата (ПЭТН), 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) в воздухе (с соответствующими типами ионов реактантов) при скорости варьирования V_c однонаправленного напряжения: а) 5.5 В/с; б) 11 В/с; в) 22 В/с; г) 31.5 В/с. Диапазон U_c=-2÷20 B;

фиг.2 - спектры паров смеси взрывчатых веществ ПЭТН и ТНТ в воздухе при скорости варьирования V_c=36.7 В/с: а) с временем задержки 0.1 секунда запуска последующего цикла после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного напряжения и начальным значением напряжения U_c=-2 В; б) без задержки запуска последующего цикла с начальным значением напряжения U_c=-5 В.

В потоке газа, входящем в полость, ограниченную протяженными электродами, присутствует смесь всех типов ионов. Под действием возникающего в полости знакопеременного периодического несимметричного по полярности электрического поля ионы разных типов, совершая быстрые колебания, дрейфуют с различными скоростями перпендикулярно потоку газа и разделяются в зависимости от их приращения подвижности. При некотором значении напряженности однонаправленного электрического поля, вызванного приложением к электродам соответствующей разности потенциалов (напряжение - U_c), скорость ионов некоторого типа станет равной нулю. Этот тип ионов потоком газа транспортируется на регистрацию, формируя ионный ток (I), остальные ионы, для которых скорость не равна нулю, рекомбинируют на электродах. Меняя величину однонаправленного электрического поля путем изменения величины напряжения U_c, можно последовательно зарегистрировать ионы всех типов, присутствующие во входной смеси - спектр. Очевидно, что состав ионов, транспортируемый на регистрацию, при разных значениях однонаправленного электрического поля будет разный. Вследствие этого при циклическом способе варьирования однонаправленного электрического поля в момент переключения с конечного значения предыдущего цикла однонаправленного электрического поля к начальному значению последующего цикла из пространства между электродами потоком газа на регистрацию одновременно транспортируются типы ионов, для которых оптимальным является конечное значение однонаправленного электрического поля, и типы ионов с оптимальным начальным значением указанного поля. На фигуре 1 приведены спектры паров смеси взрывчатых веществ пентаэритриттетранитрата (ПЭТН), 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) в воздухе при скорости варьирования V_c однонаправленного напряжения: а) 5.5 В/с; б) 11 В/с; в) 22 В/с; г) 31.5 В/с. Варьирование напряжения производили в диапазоне U_c=-2÷20 В. Как видно из фигуры, чем выше скорость варьирования V_c однонаправленного напряжения, а следовательно, и однонаправленного электрического поля, тем труднее обнаружить пик ионов ПЭТН. При скорости V_c>22 В/с пик ПЭТН зарегистрировать практически невозможно.

На фигуре 2 показаны спектры смеси взрывчатых веществ ПЭТН и ТНТ в воздухе при скорости варьирования V_c=36.7 В/с напряжения U_c, зарегистрированные с использованием предлагаемого технического решения. На фигуре 2а показан спектр, зарегистрированный с временем задержки t_d=0.1 секунда запуска последующего цикла после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного напряжения и начальным значением напряжения U_c=-2 В. Этого времени задержки оказалось достаточно, чтобы удалить ионы с оптимальным конечным значением электрического поля. На фигуре 2б показан спектр без задержки запуска последующего цикла, но с начальным значением напряжения U_c=-5 В. При варьировании с U_c=-5 В до U_c=-1 В (т.е. до начала пика ПЭТН, подлежащего контролю) с указанной скоростью варьирования V_c=36.7 В/с напряжения затрачиваемое время равно 4/36.7=0.11 с, что примерно равно времени задержки t_d. Таким образом, оба варианта технической реализации приводят к решению поставленной задачи.

Реализация предлагаемого технического решения представляет собой простую техническую задачу, так как может быть выполнена на оборудовании, используемом в прототипе. Требуется лишь модернизация программы управления генератором однонаправленного напряжения U_c, позволяющая вводить либо время задержки запуска последующего цикла после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного напряжения, либо управлять начальным значением напряжения U_c в зависимости от скорости его варьирования.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач скоростного циклического разделения и регистрации ионов в газе, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе, а также как основа для газохроматографического детектирования. Для этого в способе, включающем разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений напряженности, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе, пиков веществ, подлежащих контролю, согласно изобретению по первому варианту запуск последующего цикла варьирования осуществляют через интервал времени задержки после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного электрического поля. По второму варианту в зависимости от скорости варьирования однонаправленного электрического поля начальное значение напряженности этого поля выбирают таким, что при указанной скорости варьирования к моменту регистрации в спектре первого пика вещества, подлежащего контролю, прошло время, достаточное для удаления всех типов ионов, попавших в поток газа в предыдущем цикле варьирования однонаправленного электрического поля. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ циклического разделения и регистрации ионов в газах, включающий разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений напряженности, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю, отличающийся тем, что запуск последующего цикла варьирования осуществляют через интервал времени задержки после окончания предыдущего цикла варьирования однонаправленного электрического поля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервал времени задержки выбирают в зависимости от величины тока ионов, для которых оптимально конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, исходя из условия: чем больше величина тока этих ионов, тем больше интервал времени задержки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервал времени задержки выбирают в зависимости от разницы напряженностей конечного и начального значений напряженности однонаправленного электрического поля, исходя из условия: чем меньше разница, тем больше интервал времени задержки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервал времени задержки выбирают исходя из неравенства $$t>d^2/\left(K\left|U_{н}-U_{к}\right|\right)$$ , где d - расстояние между протяженными электродами, К - коэффициент подвижности ионов, для которых оптимальным является конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, U_н, U_к - начальное и конечное значения разности потенциалов между протяженными электродами.

5. Способ циклического разделения и регистрации ионов в газах, включающий разделение ионов различных типов с помощью суперпозиции знакопеременного периодического несимметричного по полярности и однонаправленного электрических полей в потоке газа, ограниченном протяженными электродами, циклическое варьирование однонаправленного электрического поля в диапазоне значений напряженности, обеспечивающих транспортировку разделенных ионов потоком газа на регистрацию, регистрацию спектра разделенных ионов в виде совокупности ионных пиков, в том числе пиков веществ, подлежащих контролю, отличающийся тем, что в зависимости от скорости варьирования однонаправленного электрического поля начальное значение напряженности этого поля выбирают таким, чтобы при указанной скорости варьирования к моменту регистрации в спектре первого пика вещества, подлежащего контролю, прошло время, достаточное для удаления всех типов ионов, попавших в поток газа в предыдущем цикле варьирования однонаправленного электрического поля.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что начальное значение напряженности однонаправленного электрического поля выбирают в зависимости от величины тока ионов, для которых оптимально конечное значение напряженности однонаправленного электрического поля, исходя из условия: чем больше величина тока этих ионов, тем больше разница между начальным значением напряженности поля и значением напряженности поля, характеризующего в спектре первый пик вещества, подлежащего контролю.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что начальное значение напряженности однонаправленного электрического поля выбирают в зависимости от величины скорости варьирования, исходя из условия: чем больше скорость варьирования, тем больше разница между начальным значением напряженности поля и значением напряженности поля, характеризующего в спектре первый пик вещества, подлежащего контролю.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что начальное значение напряженности однонаправленного электрического поля выбирают исходя из неравенства $$\left|U_{н}-U_{к}\right|\left|U_{н}-U_n\right|\ge d^2{V}_c/K$$ , где U_n - значение разности потенциалов между протяженными электродами, оптимального для начала регистрации первого пика вещества, подлежащего контролю, V_c - скорость варьирования однонаправленного напряжения.