Способ анализа примесей в газах Советский патент 1982 года по МПК G01N31/08 

(5) СПОСОБ АНАЛИЗА ПРИМЕСЕЙ В ГАЗАХ

1

Изобретение относится к газовой .хроматографии, в частности к иониза;ционн6му анализу примесей в газах, и , может найти применение в аналитическом приборостроении, при разработке приборов газового анализа, газоанализаторов и газовых хроматографов.

Известен способ анализа малых концентраций газов и паров, заключающийся в ионизации анализируемого газа с помощью радиоактивного источника излучения и измерения ионизационного tOKa.

В качестве газа-носителя используются благородные газы Г1 .

Недостатки указанного способа - отсутствие селективности к веществам, обладающим положительным сродством к электрону, и невозможность анализа веществ , потенциал ионизации которых выше энергии возбуждения инертного газа-носителя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ анализа примесей в

газах, заключающийся в ионизации газа с помощью радиоактивного источника и измерения величины ионизационного тока при наложении электрического поля в присутствии благородного газа. Известный способ детектирования предусматривает пространственное разделение зон возбуждения метастабильных атомов благородного газа, например аргона, и ионизацию анализируемого газа

10 этими атомами. Это разделение осуществлено таким образом,ЧТО анализируемое вещество не проходит через зону, где происходит возбуждение инертного газа 2 J.

IS

Недостатками известного способа являются низкая чувствительность, обусловленная малой концентрацией метастабильных атомов в зоне ионизации анализируемого вещества,-.и отсутствие селективности по отношению к электроноакцепторным веществам, обусловленное тем, что эффективность ионизации практически одинакова дли всех веществ. 337 потенциал иониза14ии которых ниже энер (гии метастабильного состояния благородного газа. Цель изобретения - повышение чувст вительности и селективности к электрноакцепторным примесям. Указанная цель достигается тем, что согласно способу анализа примесей в газах, заключающемся в ионизации газа с помощью радиоактивного источника измерений ,величины ионизационного, тока при наложении электрического поля в присутствии благородного газа, благородный газ смешивают с анализируемым газом до осуществления операции ионизации анализируемого газа, иониза цию осуществляют в отсутствии внешнего электрического поля, а скорость газового потока в зоне ионизации выбирают из условия V --М1 o-ieoT- ; где и. - подвижность отрицательного иона анализируемого газа, № . i Со-константа, равная 8,840 эффективный радиус зоны иониг зации, -М; q - заряд, образующийся в зоне ионизации. К, f - длина-зоны ионизации. На фиг. 1 представлена схема одного из возможных вариантов детектора для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - хроматограмма ана- 3 лиза примеси кислорода в чистом азотеI .Детектор для осуществления способа .содержит корпус 1 со штуцерами 2 и 3 для входа газа-носителя и анализируемого газа и для ввода газа-поддува соответственно трубчатый изо;1ятор 4, по внутренней поверхности которого расположен радиоактивный источник 5 ионизации, выполненный в виде фольги (например, тритиево-титановой), контакти рующий с соплом 6, являющимся одновременно потенциальным электродом, соединенным с источником 7 питания и изолированным от корпуса 1 Q помощью трубчатого изолятора 4,. Для обеспечения подачи напряжения на сопло 6, расположенное внутри корпуса 1, применен изолятор 8. В верхней части корпуса 1 с помощью изолятора 9 установлен измерйтельный электрод 10, соединенный суси5 лителем 11. Трубчатый изолятор k, paдиоактивный;источник 5 и сопло 6 образуют зону I ионмзации, а простран4ство между измерительным электродом 9 и соплом 6 - зона II регистрации. Детектор работает следующим образом. Газ-носитель, в качестве которого используют гелий, поступает через штуцер 2 в зону ионизации с оптимальной скоростью V, газ-поддув, в качестве которого также используют гелий,,со скоростью 4iтогда поступает через штуцер 3. Скорость газового потока Vo определяют согласно вышеуказанному уравнению. Газ-носитель в трубчатом изоляторе 4 в отсутствии электрического поля под действием радиоактивного источника образует положительные ионы и электроны. Так как скорость этих зарядов вдоль газового потока за счет сил внутреннего трения мала, а для электронов близка к нулю, то они успевают рекомбинировать, не попадая в зону II регистрации, таким образом ток измерительного электрода близок к нулю. При вводе с газом-носителем анализируемого газа в зону I ионизации вещества, обладающие положительным сродством к электрону, захватывают своЬ.т.ные электроны. В отсутствии электрического поля вероятность такого процесса максимальна. Образованные отрицательные ионы анализируемого вещества при соответствующем выборе расхода газа-носителя за счет сил внутреннего трения выносятся в зону It регистрации, где собираются электрическим полем. В зависимости от величины напряженности поля в зоне II регистрации дётектор работает в двух режимах: полного сбора ионов, вынесенных в эту зону (напряженность поля 50-500 В/см) и газового усиления (напряженность поля 1000-2100 В/см). В режиме полного сбора ионов напряженность поля достаточна для того, чтобы без потерь собрать на измерительном электроде 9 все ионы, вынесенные в зону I I. регистрации. На измерительном электроде 9 появляется TOKi поступающий на вход усилителя 11. Величина тока пропорциональна концентрации анализируемого вещества. В режиме газового усиления (напряженность поля достаточна для вторичной ионизации) электроны, вынесенные в зону М регистрации, лавинообразно ионизируют газ-носитель, размножая число зарядов в этой зоне. Величина тока (сигнала) в этом случае более чей в 100 раз превышает соответствую щую величину тока, возникающего при работе детектора в режиме полного сб ра ионов, однако пропорциональность сигнала концентрации анализируемого газа незначительна (в основном зави симость величины сигнала от концентрации носит нелинейный характер). Детектор испытывается в комплекте с серийным хроматографом ЛХМ-7А. Напряженность поля в зоне I регистрации создают с помощью источника пита ния БН ВЗ-09 и стабилизатора напряже ния постоянного тока П 136. Величину ионизационного тока измеряют с помощью измерителя малых токов ИМТ-0,5 и регистрируют на самописце КСП- со шкалой 1 мВ. В качестве газа-носителя и газа-поддува используют гелий особой чистоты (ТУ ). Хрома тографическую колонку длиной 2 м и внутренним диаметром 3 мм заполняют молекулярными ситами NaX зернением 0,25-0,5 мм. Прим е ip 1.( режим полного сбор ионов). Анализу подвергают воздух (кислород воздуха). Расход, см /мин; газа-носителя 100 газа-поддува 50 Объем дозы вводимого воздуха, см Напряжение питания детектора, В Напряженность поля в зоне регистрации. В/см 170 Полученное пороговое значение чувствительности по кислороду 10 об. % . П р и м е р 2 (режим полного сбора ионов). Анализу подвергают смесь кислорода и азота (примесь кислорода 0,1 об. в азоте). Расход, смVмин: газа-носителя газа-поддува Объем дозы вводимого азота, см Напряжение питания детектора, В50 Напряженность поля в зоне регистрации В/см170 Шкала усилителя ИМТ-0.5, А100-10 1,6-10 50 Хроматограмма ахализэ примера 2 (фиг. 2) xapaKTepH3yet селективность предлагаемого способа. Чувствительность к кислороду в 100 раз превышает чувствительность к азоту. Таким образом, предлагаемый способ :по сравнению с известным за счет повы шения чувствительности и селективности к электроноакцепторнь м примесям позволяет раздельно анализировать примеси аргона, кислорода, например в гелии, более объективно оценивать качество газов. Предлагаемый способ анализа обес.печивает прямое определение микроконцентраций кислорода в газах, в частности в гелии, и дает экономический эффект за счет исключения необходимости использования дорогостоящей накопительной аппаратуры, так как способ обеспечивает прямое определение указанных примесей. Большинство известных хроматографических приборов не позволяют раздельно анализировать примеси аргона и кислорода, например в гелии. Применение предлагаемого способа позволит решить эту сложнейшую аналитическую .задачу, более объективно оценивать качество газов, например гелия, и улучшить его сортность. Формула изобретения Способ анализа примесей в газах, заключающийся в ионизации газа с помощью радиоактивного источника, измерений величины ионизационного тока при наложении электрического поля в присутствии благородного газа, отличающийся тем, что, с цепью) повышения чувствительности и селективности к электроноакцепторным примесям, например к кислороду, благородный газ смешивают с анализируемым до осуществления операции ионизации анализируемого газа, ионизацию осуществляют в отсутствии внешнего электрического поля, а скорость газо вого потока в зоне ионизации выбирают из условия V 0- Igor где /. - подвижность отрицательного иона анализируемого газа, Vs. с; €о- константа, равная 8,8-10 К/Нм ;г - эффективный радиус зоны ионизации, М; q - заряд, образующийся в зоне ионизации, К; Е - длина зоны ионизации. Источники информации. принятые во внимание при экспертизе 5 1.Патент Великобритании № 882977, кл. G 1 В, 1965. 2.Авторское свидетельство СССР № 16036J, кл. G 01 N 31/08, 1962 (прототип).

/&Э поддув