ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно, к средствам измерений концентраций отдельных компонентов и их идентификации.
Известен фотоионизационный генераторный детектор (RU №115072, кл.G01N 27/64, 2012), содержащий лампу ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами, расположенными друг над другом, изготовленными из металлов различной работы выхода электронов и разделенные кольцеобразной фторопластовой прокладкой, а также электрометр, к которому подключены электроды, и регистратор сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра. В нижнем электроде выполнено центральное отверстие, в которое вмонтировано окно из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала. Верхний электрод снабжен отверстиями для входа и выхода потока анализируемого газа.
В этом детекторе анализируемый газ непрерывно прокачивается через входное и выходное отверстие проточной камеры фотоионизационного генераторного детектора. В пространстве камеры между электродами анализируемый газ ионизируется тонким лучом ультрафиолетового излучения лампы. Так как электроды выполнены из различных металлов с отличающимися работами выхода электронов, то между ними возникает разность потенциалов, в проточной камере возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы перемещаются в камере. Значение сигнала детектора измеряется и регистрируется с помощью электрометра и регистратора. Получаемый сигнал пропорционален концентрации определяемых компонентов в анализируемом газе.
Недостатком такого фотоионизационного генераторного детектора являются его узкие функциональные возможности, которые ограничиваются измерением концентрации веществ в потоке газа-носителя.
Наиболее близким по технической сущности является фотоионизационный генераторный детектор (RU №122179, кл. G01N 27/64, 2012), содержащий лампу ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном, на котором расположены друг над другом первая проточная камера, кварцевая пластина и вторая проточная камера. Камеры снабжены входными и выходными штуцерами, а каждая из них образована двумя дисковыми электродами с центральными отверстиями одинакового диаметра, расположенными друг над другом и выполненными из металлов с различными работами выхода электронов. Между электродами расположены фторопластовые прокладки с центральными отверстиями, диаметры которых превышают диаметры отверстий электродов, а оси симметрии отверстий электродов, фторопластовых прокладок и лампы ультрафиолетового излучения совмещены.
В этом детекторе имеются две идентичные по характеристикам камеры, которые просвечиваются одной ультрафиолетовой лампой. В каждой камере имеет место процессы ионизации газа и сбора ионов под действием контактной разности потенциалов, как и в описанном выше фотоионизационном генераторном детекторе. В то же время, наличие двух идентичных камер позволяет реализовать дифференциальный метод измерения, что увеличивает стабильность нулевого сигнала детектора.
Недостатком такого фотоионизационного генераторного детектора являет узкие функциональные возможности, которые ограничиваются только измерением концентрации отдельных компонентов, то есть возможностью осуществления только количественного анализа.
Задачей данной полезной модели является создание фотоионизационного генераторного детектора, способного, наряду с измерением концентрации веществ, осуществлять их идентификацию, то есть выполнять качественный анализ.
Технический результат - расширение функциональных возможностей фотоионизационного генераторного детектора.
Технический результат достигается тем, что фотоионизационный детектор газов содержит лампу ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном, на котором расположены друг над другом первая проточная камера, кварцевая пластина и вторая проточная камера, причем эти камеры снабжены входными и выходными штуцерами, а каждая из них образована двумя дисковыми электродами с центральными отверстиями одинакового диаметра, расположенными друг над другом и выполненными из металлов с различными работами выхода электронов, при этом между электродами расположены фторопластовые прокладки с центральными отверстиями, диаметры которых превышают диаметры отверстий электродов, а оси симметрии отверстий электродов, фторопластовых прокладок и лампы ультрафиолетового излучения совмещены. Согласно полезной модели детектор дополнительно содержит стабилизатор расхода газа и две диффузионные ячейки, каждая из которых состоит из подающей и принимающей камер, разделенных пористыми мембранами и снабженных входными и выходными штуцерами, при этом входной штуцер подающей камеры первой диффузионной ячейки соединен с выходным штуцером первой проточной камеры, а входной штуцер подающей камеры второй диффузионной ячейки соединен с выходным штуцером принимающей камеры первой диффузионной ячейки, выходной штуцер принимающей камеры второй диффузионной ячейки соединен с входным штуцером второй проточной камеры, кроме того, входные штуцеры принимающих камер соединены со стабилизатором расхода газа-носителя, причем выходные штуцеры подающих камер обеих диффузионных ячеек соединены с атмосферой, а также входной штуцер первой проточной камеры подключен к выходу хроматографа, дисковые электроды первой и второй проточных камер с помощью проводников подключены к двуштырьевым штекерам с высокоомной изоляцией, которые выполнены с возможностью их подключения к электрометрам.
Такая конструкция обеспечивает измерение молекулярной массы детектируемых компонентов путем двукратного повторения диффузии этих компонентов через пористые мембраны двух диффузионных ячеек, измерения площадей импульсных сигналов для каждого компонента до и после диффузии и вычисления отношения площадей пиков, полученных после проведения диффузии. При соответствующем подборе эффективного диаметра пор мембран названное отношение пропорционально молекулярной массе детектируемых компонентов, что определяет возможность их идентификации по этой физической величине.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема фотоионизационного генераторного детектора для газовой хроматографии; на фиг. 2 - хроматограммы, поясняющие работу детектора.
Фотоионизационный генераторный детектор содержит лампу 1 ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном 2, на котором расположены друг над другом первая проточная камера 3, кварцевая пластина 4 и вторая проточная камера 5. Камеры 3 и 5 снабжены входными 6, 7 и выходными 8, 9 штуцерами. Каждая камера 3 и 5 образована двумя дисковыми электродами 10, 11 и 12, 13 с центральными отверстиями 14, 15 и 16, 17 одинакового диаметра, расположенными друг над другом и выполненными из металлов с различными работами выхода электронов. Между электродами 10, 11 и 12, 13 расположены фторопластовые прокладки 18 и 19 с центральными отверстия 20 и 21, диаметры которых превышают диаметры отверстий электродов 10, 11 и 12, 13, а оси симметрии 22 отверстий 20 и 21 электродов 10, 11 и 12, 13, фторопластовых прокладок 18 и 19 и лампы 1 ультрафиолетового излучения совмещены.
Детектор дополнительно содержит стабилизатор 23 расхода и диффузионные ячейки 24 и 25, каждая из которых состоит из подающей 26 и 27 и принимающей 28 и 29 камер, разделенных пористыми мембранами 30 и 31 и снабженных входными 32, 33, 34, 35 и выходными 36, 37, 38, 39 штуцерами. Входной штуцер 32 подающей камеры 26 первой диффузионной ячейки 24 соединен с выходным штуцеров 8 первой проточной камеры 3, а входной штуцер 34 проточной камеры 27 второй диффузионной ячейки 25 соединен с выходным штуцером 37 принимающей камеры 28 первой диффузионной ячейки 24. При этом выходной штуцер 39 принимающей камеры 29 второй диффузионной ячейки 25 соединен с входным штуцером 7 второй проточной камеры 5. Входные штуцеры 33 и 35 принимающих камер 28 и 29 соединены со стабилизаторами 23 расхода газа-носителя. Выходные штуцеры 36 и 37 подающих камер 26 и 27 соединены с атмосферой. Входной штуцер 6 первой проточной камеры 3 подключен к выходу хроматографа 40, на котором осуществляется разделение анализируемой смеси на отдельные компоненты.
Дисковые электроды 10, 11 и 12, 13 первой 3 и второй 5 проточных камер с помощью проводников 41, 42 и 43, 44 подключены к двуштырьевым штекерам 45 и 46 с высокоомной изоляцией 47 и 48, которые выполнены с возможностью их подключения к электрометрам 49 и 50.
Выходы электрометров 49 и 50 подключены к аналого-цифровым преобразователям 55 и 56, а выходы последних подключены к компьютеру 57 для электропитания лампы 1 ультрафиолетового излучения служит источник питания 58. Для исключения влияния электромагнитных полей на работу детектора используется металлический экран 59.
1
2
a
a
a
a
B
B
C
C
Работа фотоионизационного генераторного детектора осуществляется следующим образом. Из хроматографа 40 поток газа-носителя с разделенными компонентами анализируемой смеси направляется во входной штуцер 6 камеры 3 фотоионизационного генераторного детектора. При поступлении с потоком газа-носителя компонента А в камере 3 под действием ультрафиолетового излучения, поступающего от лампы 1, происходит ионизация молекул газа. Под действием контактной разности потенциалов, возникающей за счет различия в работах выхода электронов электродов 10 и 11, изготовленных из различных металлов, происходит сбор ионов, и между электродами 10 и 11 протекает ионный ток. Это вызывает во внешней цепи электродов 10 и 11 протекание электронного тока, который измеряется электрометром 49, подключенным с помощью проводников 41 и 42 через двуштырьевой штекер 45 к электродам 10 и 11. Сигнал электрометра 49 преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя 55 и вводится в компьютер 57. За время протекания компонентов через первую камеру 3 на хроматограмме (фиг. 2а) регистрируется сигнал, принадлежащий к компоненту А. Аналогично осуществляется детектирование компонентов В, С и т.д. Поток газов из выходного штуцера 8 первой камеры 3 направляется через входной штуцер 32 в подающую камеру 26 первой диффузионной ячейки 24, а затем через ее выходной штуцер 26 сбрасывается в атмосферу. В процессе протекания потока газа-носителя с каким-либо компонентом через подающую камеру 26 первой диффузионной ячейки 24 молекулы компонента частично диффундируют через пористую мембрану 30 и попадают в приемную камеру 28 этой ячейки. В эту же камеру непрерывно подается с постоянным объемным расходом газ-носитель. Поток газа-носителя подхватывает продиффундирующие молекулы, например компонента А, и транспортирует их через входной штуцер 34 второй диффузионной ячейки 25 в подающую камеру 27. В процессе протекания потока газа-носителя через подающую камеру 27 часть молекул газа-носителя диффундирует через пористую мембрану 31 в приемную камеру 19 второй диффузионной ячейки 25. Остальные молекулы этого компонента сбрасываются через выходной штуцер 37 камеры 27 в атмосферу. Продиффундирующие в камеру 29 молекулы компонента А подхватываются потоком газа-носителя, поступающего через входной штуцер 35 от стабилизатора 23 расхода, и направляются через входной штуцер 7 во вторую проточную камеру 5 детектора. Здесь молекулы газа ионизируются ультрафиолетовым излучением лампы 1. Образующиеся ионы собираются под действием контактной разности потенциалов, возникающей из-за того, что электроды 12 и 13 имеют различные работы выхода электронов. Это вызывает во внешней цепи электродов 12 и 13 протекание электронного тока, который измеряется электрометром 5. Сигнал последнего с помощью проводников 43 и 44 и двуштырьевого штекера 46 поступает к аналого-цифровому преобразователю 56, а затем вводится в компьютер 57. За время протекания компонента А через первую камеру 3 на хроматограмме (фиг. 2а) регистрируется сигнал, соответствующий этому компоненту. Так же осуществляется регистрация сигнала компонента А, поступающего от второй камеры детектора (фиг. 2б). На фиг. 2а и 2б U и U сигналы первой и второй камер детектора, τ - время. Компьютер вычисляет площади пиков S и S' на хроматограммах (фиг. 2а) и (фиг. 2б), а затем рассчитывает отношения этих площадей S/S', которые несут информацию о молекулярной массе компонента А. Аналогично измеряется (по отношениям площадей S/S' S/S' и т.д.) молекулярная масса компонентов В, С и т.д. Таким образом, в процессе хроматографического анализа, предложенный фотоионизационный генераторный детектор формирует информацию, которая обеспечивает двукратные измерения концентрации каждого компонента и определения его молекулярной массы. Информация о молекулярной массе компонентов, разделяемых на хроматографе, позволяет осуществлять их идентификацию по соответствующим справочным данным.
Преимуществами технического решения являются:
- простота конструкции;
- возможность двукратного измерения концентрации компонентов при хроматографическом анализе, что обеспечивает большую точность измерений;
- возможность осуществления идентификации компонентов, то есть качественный анализ.
Детектор может найти применение для измерения концентраций и автоматической идентификации компонентов в газовой хроматографии.