Пламенно-ионизационный детектор Советский патент 1982 года по МПК G01N27/62 

(54) ПЛАМЕННО-ИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к детектируюшим устройствам для газов и может быт использовано в хроматографах и в других аналитических приборах при качественном и количественном анализе органических веществ. Известен двухэлекгродный пламенноионизационный детектор, в котором водородная горелка является одним электродом, в качестве второго элемектрода, расположенного над горелкой, применяют обычно металлические цилиндр, блок (сплошной и сетчатый) или кольцо. На электрод-горелку подается поляризующее напряжение, второй электрод (собирающий) подключается к измерительному усилителю tl Недостатком детектора является невозможность качественного анализа органических веществ. Наиболее близким к предлагаемому является пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, водородную гооелку, установленную в Kopiyce, электри чески изолированную от него и подключенную к источнику поляризующего напряжения, сетчатый электрод, установленный напротив сопла горелки и соединенный с измерительным усилителем. В процессе ионизации органических веществ в водородном пламени на первой стадии детектирования возникают различные рацикалы, соцержащие уг- ; лероа. Затем наиболее возбужаенныеиз них, попадая в высокотемпературную зону пламени, вторично окисляются и превращаются в положительные ионы и электроны. При достаточно большом напряжении на электродах в измерительной цепи детектора возникает суммарный ток насыщения, образованный всеми заряженными частицами нонами и электрю- нами, находящимися между электродами. Ток насыщения, как известно, не зависит от масоового состава ионов и пропорционален только количеству заряженных частиц (скорости их образован1тя). Количество заряженных частиц, в свою очередь. пропорционально потоку органического вещ х::тва, поступающего в водородное пламя в единицу времени Г2 . Таким образом, известный пламенноионизационный детектор позволяет получатъ только количественную характеристику анализируемого, вещества. Иденти- фикшхию вещества, т.е. его качественную хаоактеристику при помощи известного пламенно-ионизационного детектора получить невозможно. Цель изобретения - получение качест венной характеристики органического вещества, детектируемого пламенно иониз9цнонным детектором. Поставленная цель достигается тем, что в пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, водородную горелку, установленную в корпусе, электрически изолированную от него и подключенную к источнику поляризующего напряжения, сетчатый электрод, установленный напротив сопла горелки и соединенный с изме рительньпи усилителем, введены четыре дополнительных сетчатых электрода, установленных последовательно в простран стве над сетчатым электродом, два импульсных; генератора и второй измерител ный усилитель, причем первый из введен ных, сетчатых электродов соединен с одню,1 из импульсных генераторов, второй сетчатый электрод подключен к источник полнриз)1С1цего напряжения, третий сетчатый электрод соединен с вторым импульсным генератором, а четвертый сетчатый электрод подключен через измерителыш1й резистор к источ1-шку поляризую щего напряжения и соединен с вторым исзмерительным усилителем. В известном пламенно-ионизационном детекторе при пааожигельной полярности на электроде-1Х)релке образуклдиеся в водородном пламени электроны и ионы разделяются электрическим полем, электроны, пройдя незначительное расстояние (зона ионизации - пламя находится на конце горелки), попадают на электродгорелк , а все положительные ионы направляются к собирающему сетчатому Электроду, расстояние до которого 8- 10 мм, и рекомбинируют на нем. В цепи электродов возникает суммарный электри ческий ток, пропорциональный потоку органического вещества. В предлагаемом пламенно-ионизацион ном детекторе в пространстве между горелкой и сетчатым электродом происходят те же процессы, что и в известном детекторе, но , которые попада В отверстия сетчатого электрода, при наличии электрического поля, создаваемого дополнительными электродами, продолжают дрейфовать в направлении следующих сетчатых электродов до последнего четвертого дополнительного электрода, разделяясь по массам в пространстве дрейфа под воздействием сил электрического поля. На чертеже дана принципиальная схема пламенно-ионизационного детектора. В корпусе детектора 1 размещена водородная горелка 2, соединенная через нагрузочный резистор 3 с ПЛРОСОМ источника 4 поляризующего напряжения. Общий ионный ток, подается на измерительный усилитель 5 .и регистрируется самописцем б. Воздух в детектор поступает через трубку 7. Измерительный электрод 8 соединен через делитель напряжения, состоящий из резисторов 9 - 13 с минусом источника 4. Выталкивающий электрод 14 соединен с импульсным генератором 15. Поляризующий электрод 16 подключен к MUHjcy источника 4 через делитель напряжения. Второй выталкивакщий электрод 17 соединен с импульсным генератором 18. Второй измерительный эдектрод 19 подключен через резистор 2О непосредственно к минусу источника 4. Раздельные составляющие ионного тока подаются на второй измерительный усилитель 21 и регистрируются вторым самописцем 22. Детектор работает следующим образом. Бинарная смесь газа-носителя и органического анализируемого компонента. подается на вход .горелки 2. При этом в пламени водорода возникает обычный процесс ионизации. На первый Измерительный электрод 8 относительно электродагорелки 2 приложено отрицательное напряжет1е от источника 4. Образующиеся в пламени водорода все положительные ионы дрейфуют под воздействием сил электрического поля к сетчатому электроду 8, создавая в цепи этих электродов в измерительном резисторе 3 общий ио1Д1ый ток, который подается на усилитель 5 и ре.гистрируется самописцем 6. Этот ток пропорционален количественному содержанию компонента. Над электродом 8 на небольшм расстоянии от не.го расположен такой же сетчатый электрод 14, соединенный через импульсный генератор 15с делителем напряжения на резисто-, pax 9-13 таким образом, что между 5 электродами 14 и 8 возникает электрическое поле (при отсутствии импульса от генератора 15), отталкивающее те положительные ионы, которые попали в отверстия электрода 8. При подаче на электрод 14 от генератора 15 отрицательного импульса с амплитудой, превосходящей отталкивающий потенциал, положительные ионы через отверстия в сетчатом электроде 8 продолжают дрейфовать к электроду 14 и при достаточной продолжительности импульса проходят и через отверстия в сетке этого электрода, поскольку между элек тродами 14 и 16 также существует электрическое поле, заставляющее дрейфовать ионы к поляризующему электроду 16. После прекращения подачи на электрод 14 выталкивающего импульса ионы из зоны между электродами 2 и 8 уже не могут пройти за электрод 8, а ионы которые во время действия выталкивающего импульса прошли к электроду 14 продолжают дрейфовать по полю в напра лении электрода 16. Причем длительнос выталкивающего импульса такова, что ионы с различными MaccaiCra, в том чис и самые тяжелые, успевают пройти промежуток между электродами 8 и 14. Таким образом, после окончания действ отрицательного импульса от генератора 15над электродом 14 образовывается узкий пакет положительньк ионов с раз личными массами. Как известно, скорос дрейфа иона в газе под воздействием сил электрического поля зависит от состава газа, температуры газовой среды, напряженности электрического поля и массы иона. Для всех ионов в пакете дрейфующих в пространстве между электродами 14 и 16 условия одинаковы, но массы различны. Поэтому ионы с ра ными массами дрейфуют с различными скоростями, начинает происходить разделение ионов по массам. В конце пути дрейфа (у электрода 16) общий пакет. ионов разделяется на составляющие пакета, состояшие из ионов с одинаковыми массами. Разность хода между соседними пакетами пропорциональна произведению относительной разницы в .скоростях этих пакетов на длину пути. Разделенные пакеты ионов.у электрода 16, попадая в его отверстия, не проходя в межэлектродное пр-странсгво 16- 17, поскольку там воздействует электрическое поле, создаваемое падением напряжения на резисторе 12, от талкивающие ионы (при отсутствии им- 8 пульса от генератора 18). При подаче на электрод 17 от генератора 18 отрицательного короткого импульса с амплитудой, превосходящей отталкивающий потенциал, ионный пакет через отверстия в сетчатом электроде 16 продолжает дрейфовать к электроду 17, проходя и через его отверстия. Наличие постоянного электрического поля, создаваемого между электродами 17 и 19, обуславливает дальнейший дрейф пакетов ионов к поляризующему электроду 19. Другие пакеты ионов, которые за время импульса от генератора 18 не успели подойти к электроду 16, не попадают в межэлектродное пространство 16 - 17 и рекомбинируют на электроде 16. В измерительной цепи электрода 19 возникает ток, образованный только одним ионным пакетом, т.е. только ионами с одинаковыми массами. Генераторы 15 и 18 импульсов работают синхронно (от о&дего задающего генератора). ЛАаксимальная частота следования импульсов подбир)ается такой,- чтобы период был равен времени прохождения расстояния от электрода 14 до электрода 16 ионами с наименьшими массами. Уменьшение частоты следования импульсов будет последовательно вводить другие пакеты ионов с большими массами, т.е. развертка ионов по массам осуществляется путем изменения частоты следования выталкивающих импульсов на электродах 14 и 17. Таким образом, в пламенно-ионизационном детекторе предлагаемой конструкции осуществляется раздельное изк1ерение каждой составлятацей ионного тока. Составляющие лонного тока, протекая по измерительному резистору 20, создают на нем падение напряжения, которое подается на второй измерительный усилитель 21 и регистрируется самописцем 22, воспроизводя на диаграммной ленте несколько пиков для каждого анализируемого компонента. Каждое органическое вещество характеризуется определенным спектром (количество пиков и их относительное соотношение), соответствующим только этому веществу, что позволяет его идентифиш1ровать, т.е. осуществлять качественный анализ пгш помощи пламенно-ионизационного детектора. Макет предлагаемого пламенно-ионизационного детектора изготовлен и испытан при анализе трех opramiHCCKnx веществ - метана, этилена и бензола. Полученные спектры для этих веществ отличаются друг от друга, как числом пи