Устройство для введения газа в анализатор масс-спектрометра Советский патент 1979 года по МПК G01N27/62 B01D59/44 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ГАЗА В АНАЛИЗАТОР МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Изобретение относится к напускным системам для масс-спектрометров и может быть использовано в масс-спектр метричесКой аппаратуре для непрерывного анализа газовой смеси с изменяющимся в широком диапазоне давлением. Известно устройство для непрерывного напуска газа в масс-спектрометр позволяющее производить масс-спектреметрический анализ газовой смеси, находя1аейся пол давлением до 0,1 ToppCl Оно содержит натекатель и диафрагму, обеспечивающую молекулярный режим натекания в ионный источник масс-спек трометра при увеличении давления в исследуемой газовой смеси до 0,1 торр Для поддержания необходимого вакуума в аналитической части прибора анализатор откачивают ионным насосом. При использовании такой системы изменение давления в ионном источнике пропорционально изменению давления перед натекателем. Это ограничивает диапазон возможньк давлений в анализируемых смесях, при которых сохраняется рабочий режим в ионном источнике. Известно также устройство для напуска газа в аналитическую часть масс-спектрометра для анализа газовой смеси с переменньм давлением. величина которого не превьииает 1 мм рт.ст. 2. Устройство состоит из камеры захвата, соединенной посредством вакуумных клапанов с анализируемой средой и анализатором масс-спёкт15С1ме ра:. Напуск газа осуществляется порциями последовательным открыванием клапанов. Цикл работы систем 1-2 с. За время одного цикла 3-4 раза регистрируется масс-спектр забранной пробы. Напуск может быть повторён до тех пор, пока давление в аналитической части прлсбора не достигнет критического (максимального давления, при котором сохраняется рабочий режим в ионном источнике), Следовательно, число анализируемых порций газа ограничено и определяется начальным давлением в анализаторе, давлением в анализируемой смеси, постоянной системы напуска ( ,где Vj - объем камеры захвата; Vj- объем анализатора) и динамическим диапазоном прибора. При таком напуске анализ каждой следующей порции газа производится на фоне суАмы всех предыдущих, что снижает чувствительность и точндсть масс-спектрометрических измерений. Таким образом, оба описанных устройства напуска не позволяют проводигь непрерывный анализ газовой смеси, находящейся при давлениях выше 1 мм рт.ст.Кроме того,при использовании их снижается точность и чувствительность масс-спектрсметрических измерений. Известно также устройство, посред стве которого напуск газа в анализатор масс-спектрометра можно производить непрерывно в течение небольшо го промежутка времени из области высокого переменного давления (от единиц торр до десятков атмосфер) 3. Устройство для введения газа в ан лизатор состоит из трубопровода, соединенного через молекулярный натекатель с анализатором, и систему откачки, установленную перед молекулярным натекателем. Режим течения газа через первый натекатель-вязкостный или м.олекулярног-Еязкостный, через остальные натекатели-молекулйрный. Рас1 1ирение диапазона возкожньгх давлений в анализируемом газе достигается увеличением количества камер захвата, т.е. увеличением объема, в котором происходит расширение первоначальной пробы газа Это приводит к снижению чувствительно ти измерений, что особенно нежелатель но при анализе компонентов, содержаВР1ХСЯ в малых колкчества.х. Однако дав ление в анализаторе возрастает не только при увеличении давления в аяаг лизнруемой смеси газов, но и при постояннс давлении, что как и в других нзвестных устройствах, существенно сокращает вр«мя работы Масс-спектрометра. Описываемое устройство напуска при количествеяном определении компоиенТО8 газовой смеси вводит к тому же оашбку, обусловленную массовой дискриминацией на яатекателях с молекуляр Hta«« и иолекулярно-вяэкостными потока t«t. Для устранения этой.ошибки масс(спектрсметр вместе с устройством Йа15усжа перед анализом .должен градуи роваться по газовым смесям, близким ПС. составу к анализируемым, что огра качивавГ возможность применения подо йбго усгройства, т.Оо требует знаккя аг|алн8ируемоя смеси Целью кэо етення яэляется создаиие устройства дпя HariycKa rasa в ан литнческуве часть масс-спектрометра, обесг в ив а8(адего непрёравный ана.гтз га зозызг ср®й с йзменйк щ Я ся s широкеш йнтвркаяе дашленкем ш повыкгй-оадег адалйтй векйе карактерйст-кки ыа-г-.С . esset«p€5e«®Tpa - «гувсг Еитально-ать я точность, ye pDiSeTBO должно o0scne.45iTb cost ранеагзе pescHt-ffi рабочего давления в sO 5KOf4 источнике прн измеиекни давле ний в ггсследуемг газе на нескодаг-со йоряэков о 74 Постоянная BpeMeHV устройства должна быть не более 3с,его инерционность 3-5 с. Величина массовой дискриминации, вводимая устроПством, должна быть за пределами допускаемой ошибки измерений. При использовании такого устройства в масс-спектрометрах для анализа плотных атмосфер планет появляются дополнительные требования; оно должно быть легким, малогабаритным, простым по конструкции и в то же время надежным, Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит два вязкостных натекателя, один из которых соединяет систему откачки с трубопроводом, а другой установлен перед молекулярным натекателем. Отношение диаметра пор молекулярного натекателя к диаметру капилляра вязкостного натекателя составляет 3 1СГ -3-10 при диаметре пор 0,3-3 мк, а отношение диаметра каш-шляра вязкостио го натекателя к его длине составляет 10 -10 . С Целью раанирения диапазона измеряемых давлений устройство содержит несколько одинаковых систем, содержащих указанные натекатели. Натекатели и капилляры рассчитываются таким образом, чтобы при давлениях в анализируемом газе от нескольких м1 ллиметров до десятков атмосфер обеспечивался молекулярный режим течения газа на всех натвкателях, за исключением первого, где при больших давлениях .существует .молекупярно-вязкостный режим, и вязкостный s кагЕиллярак, сообщающих трубопровод с вакуумированными объемами, Поскольку при молекулярном натекании количество проходящего газа Q пропорционально давлению Р на входе в натекатель, а при вязкостном -. пропорционально Р,. то основная масса газа будет перетекать в вакууми™ рованные объемы, причем доля газа, напразляемая таким устройством в масс-спектрометр для анализа, уменьшается с возрастанием внешнего давления, что существенно увеличивает возможный верхний предел и перепад давлений в анализируемой смеси. В устройстве устранен эффект массовой дискриминации-на молекулярных натекателях посредством установления перед каждьЕч натекателем капилляра с вязкостньгм режимом теченяя газа, обеспачивающего повышенную скорость потока газа у нате™ кателя, что прегштстзует диффузии тяжелых молекул в сторону, обратную потоку, и уравн: вз.ет .скорости про™ зсодягг як через натекатели. молекул с различными массами. На чертеже показана пневматкчесгсая схема устройства для введенкя г®за н акализз.тор, Устройство содерл ит мёталлк- гео Kssffi аакуумкровакйый цклкндр.,, раэде5

ленный металлической перегородкой 1 на два объема 2 и 3 емкостью по 1 л каждый. Через цилиндр проходит металлический трубопровод 4 диаметром 2 мм, длиной 200 мм, по оси которого расположены капилляры 5-7 . диаметром 0,2 мм, обеспечивающие вязкостный режим течения газа перед натекателями 8-10. Натекатели сделаны из спеченного пористого пироксевого стеклянного порошка с диаметром пор О.ЗтЗ мкм с пропускной спообностью /1-4/ . Отношение

диаметра пор молекулярного натекателя к диаметру капилляра вязкого натекателя З.(10 -гЮ ) . Рёжим натекания газа через них, исключая первый, молекулярный (через натекатель 8 - молеклярно-вязкостный при давлениях несколько сотен торр и выше). Трубопровод 4 имеет выходные капилляры 11, 12 (с( 0,2 мм), обеспечивающие вязкостный ток газа к откачивающим объемам. Пропускные способности откачных капилляров 4-10 л/торр. с.

Наличие редукции давления при прохояадейии газа через напускнре устройство следует из уравнения баланса для стационарного процесса:

«BtVQz.

q;, Qj+c3 , 84Л-1 4,

где QUX/QI i 4 количества аза, проходящего через натекатеяи 8 - 10 и через капилляры 11, 12 оответственно.

Или: ,-(.Д P.Z-()U P2l-V T..,U3 TiU«,

де ,2 jU, - проводимости натекателей 8-10 соответсТ венно; Vrt - скорость откачки из

ионного источника;

и , и - проводимости капилляров 11 и 12 соответственно;РО - давление на входе

в устройство напуска;

Р| /Р) Давления в устройстве напуска (указаны на чертеже).

При заданных значениях проводимосей натекателей и капилляров Ц 10 л/с Х| 4 10 л/с Uj. 4-10 л/с у - 4 .10 л/торр.с. и , 4 Ч СГ л/торр. с

ешение уравнений баланса дает слеующие распределаиия давлений в стройстве напуска (при знанием авлении Р, изменяющемся от 100 о 10000 торр)S

725576

Р, (0,15-5)100 торр Р2 (0,05-1,5)410 торр Pj 5-108i2 (Kfb ЮМ торр.

Для сочленения устройства напуска с масс-спектрометром выходной трубопровод вваривается в стенку ионного 5 источника, на входной каппиляр напаивается защитный стеклянный колпачок, преграждающий доступ газа в устройство.

Вся аналитическая часть прибора 10 (анализатор масс-спектрометра и устройство напуска) перед анализом тщательно обезгаживак)тся путем длительного прогрева.

Постоянная времени устройства jg 2с, его инерционность 3 с1 fSim6Ka, вносимая массовой дискриминацией . на натекателях, не превьашает 0,01%.

Предлагаемое устройство напуска позволяет проводить непрерывный

20

масс-спектральный анализ готовой

смеси, находящейся под давлением от 1 торр до 10 атм. При давлении анализируемой смеси 1 атм время работы прибора составляет 30-50 ч, 25 при 10 атм - 1 ч.

По сравнению с прототипом устройство имеет следующие преимущества:

30 смесей с изменяющимся в широком диапазоне давлением.

в поступившем газе, вследствие чего сохраняется рабочий режим в ионном

35 источнике масс-спектрометра при из нении давления в анализируемом газе на 4 порядка, при этом обеспечивается чувствительность и точность массспектрального анализа.

. 3. Устраняет сшибку измереиий, вносимую массовой дискриминацией на молекулярных натекателях, а следовательно, исключается градуировка прибора по смеси, сходнь( по составу

с анализируемыми. 5

Формула изобретения

Устройство дл введения газа в

0 анализатор масс-спектрометра, состоящее из трубогфовода, соединенного через молекулярный натекатель с анализатс хзм, и систему откачки, устанозлеиную перед молекулярным

5 натекателем, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительносги и обеспечения возжмсностй непрераЕЯого ансьлиза гйэовых сред с изменяюэд мся давлением, устройство

Q дополнительно содержит два вязкостных натекателя-капилляра, один из йоторых соединяет систему откачки с трубопроводом, а другой установлен перед молекулярньн натекателем, причем отношение диаметра пор молекулярного натекателя к диаметру капилляра вязкос- ного натекателя составляет 31CF - 3-10 при диаметре пор 0,3-3 мкм, а отношение диаметра капилляра вязкостного натекателя к его длине составляет 10 10 .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

24S I Р, 3 7 т

A...I./,j;,,

5 8

Щ РЗ