СПЕКТРОМЕТР ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ
ION MOBILITY SPECTROMETER

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для определения микропримесей различных веществ в газах.
Благодаря высокой чувствительности, селективности и экспрессности, в последнее время для контроля микропримесей различных органических и неорганических веществ, в частности, в атмосферном воздухе все большее применение находят приборы, основанные на способе обнаружения упомянутых выше веществ по подвижности их ионов - спектрометры подвижности ионов.
Работа спектрометра подвижности ионов базируется на следующем принципе. Каждый ион вещества имеет только ему присущие размеры, массу и отношение массы к заряду. Когда к иону, находящемуся в дрейфовом пространстве спектрометра, прикладывается электрическое поле, он перемещается в электрическом поле с определенной, только ему присущей, скоростью. Измеряя скорость иона, определяют исследуемое вещество.
Известны спектрометры подвижности ионов, содержащие последовательно расположенные источник ионов, дрейфовый электрод и детектор ионов. Источник ионов выполнен, например, в виде радиоактивного источника, источника коронного разряда или фотоионизационного источника. Между источником ионов и дрейфовым электродом размещен управляемый сеточный затвор. Дрейфовый электрод образован набором металлических колец, изолированных друг от друга диэлектрическими втулками. Металлические кольца связаны, обычно, через резистивный делитель с источником напряжения, вследствие чего в дрейфовом пространстве формируется электрическое поле, характеризующееся некоторым градиентом [заявка WO №2009094059, МПК8 H01J 49/12, 2009 г.; патент РФ №2328791, МПК8 H01J 49/40, 2008 г., патент РФ №2216817, МПК7 H01J 49/40, 2003 г.].
Принципиальный недостаток известных спектрометров связан с тем, что выполнение дрейфового электрода в виде чередующихся металлических колец и диэлектрических втулок обеспечивает только псевдолинейный характер распределения электрического поля в дрейфовом пространстве (внутри дрейфового электрода). В то же время известно, что для получения максимальной разрешающей способности спектрометра распределение электрического поля в дрейфовом пространстве должно быть максимально линейным.
В литературе описаны модификации спектрометров подвижности ионов, в которых дрейфовый электрод выполнен иным образом по сравнению с описанной выше концепцией чередующихся проводящих и непроводящих участков (областей).
Известен спектрометр подвижности ионов, содержащий источник ионов, дрейфовый электрод, выполненный из керамического материала, и детектор ионов. На внутренней поверхности дрейфового электрода нанесен проводящий слой с малым омическим сопротивлением, образованный относительно толстой пленкой резистивного материала [патент США №4390784, МПК3 H01J 49/40, 1983 г.]. Однако малая величина омического сопротивления проводящего слоя обуславливает протекание через него большого тока, что приводит к сильному разогреву проводящего слоя, ухудшает адгезию слоя к основному материалу дрейфового электрода и затрудняет практическую реализацию спектрометра.
Известен спектрометр подвижности ионов, содержащий источник ионов, дрейфовый электрод и детектор ионов, в котором дрейфовый электрод выполнен из диэлектрического материала (стекла), а на внешней поверхности дрейфового электрода размещены металлические кольца, подсоединенные к источнику высокого напряжения [патент Великобритании №2217103, МПК4 H01J 49/26, 1989 г.]. Недостатком указанного спектрометра является сложность конструктивного решения, обусловленная необходимостью использования протяженного дрейфового электрода и источника высокого напряжения, поскольку проводящие кольца расположены вне дрейфового пространства, а также отсутствие средств фокусировки ионов к оси дрейфового электрода.
В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран спектрометр подвижности ионов, содержащий последовательно расположенные реакционную камеру с источником ионов, дрейфовый электрод и детектор ионов. Дрейфовый электрод имеет форму полого цилиндра и выполнен из непроводящего материала - стекла, при этом на его внутренней поверхности, обращенной к пространству дрейфа, сформирован тонкий проводящий слой, например, путем соответствующей химико-термической обработки. Торцы дрейфового электрода металлизированы для подсоединения тонкого проводящего слоя к источнику дрейфового напряжения. Источник ионов имеет форму полого цилиндра, на внутренней поверхности которого, так же как и в дрейфовом электроде, сформирован тонкий проводящий слой. Реакционная камера снабжена входным портом для ввода пробы анализируемого вещества, средствами ионизации исследуемого вещества и выходным портом для вывода ионов во внутреннюю полость дрейфового электрода; между источником ионов и дрейфовым электродом, в области упомянутого выходного порта размещен
управляемый сеточный затвор [патент США №7081618, МПК8 H01J 49/26, 2006 г.].
Недостатки спектрометра, выбранного в качестве прототипа, заключаются в следующем. Ионы анализируемого вещества, находящиеся в пространстве дрейфа, обладают, как правило, высокой химической активностью. Попадая на стенки трубы дрейфа - что неизбежно при отсутствии в указанном спектрометре средств фокусировки ионов к оси трубы дрейфа - ионы реагируют с материалом тонкого проводящего слоя, что приводит к неконтролируемому изменению электропроводности проводящего слоя и, как следствие, к сильному искажению силовых линий электрического поля в пространстве дрейфа. Характер распределения электрического поля в пространстве дрейфа будет заметно отличаться от линейного, и разрешающая способность спектрометра снижается.
Задача, решаемая изобретением, - повышение разрешающей способности.
4
-4
Указанная задача решается тем, что в спектрометре подвижности ионов, содержащем последовательно расположенные реакционную камеру с источником ионов, цилиндрический дрейфовый электрод, торцы которого металлизированы и связаны с источником дрейфового напряжения, и детектор ионов, при этом реакционная камера снабжена входным портом для ввода пробы анализируемого вещества в смеси с газом-носителем и выходным портом для вывода ионов во внутреннюю полость дрейфового электрода; между источником ионов и дрейфовым электродом, в области упомянутого выходного порта размещен управляемый сеточный затвор, дрейфовый электрод выполнен из материала с удельным электрическим сопротивлением, находящимся в диапазоне (0,3-2,0)×10 Ом×м; источник ионов выполнен в виде источника ионов с коронным разрядом, которому придана форма сегмента полусферы с радиусом кривизны R, на внутренней поверхности которой, обращенной к трубе дрейфа, размещены металлические острия, ориентированные по нормали к поверхности сегмента полусферы в направлении к оси дрейфового электрода, причем радиус кривизны на вершине остриев не превышает 1×10 мм, а управляемый сеточный затвор, которому придана форма сегмента полусферы с радиусом кривизны R, обращен своей внешней поверхностью к источнику ионов, при этом расстояние L между вершинами остриев и управляемым сеточным затвором выбирается из условия L≤3 мм.
В варианте технического решения дрейфовый электрод выполнен в виде монолитной трубы.
В варианте технического решения дрейфовый электрод выполнен в виде совокупности механически соединенных друг с другом идентичных колец.
В варианте технического решения в качестве материала дрейфового электрода использованы окислы переходных металлов.
В варианте технического решения в качестве материала дрейфового электрода использован полупроводниковый феррит.
В варианте технического решения сегмент полусферы выполнен из металла.
В варианте технического решения острия размещены на сегменте полусферы в шахматном порядке.
В варианте технического решения длина остриев выбирается в интервале 10-20 мм.
В варианте технического решения расстояние между вершинами остриев по дуге полусферы выбирается в интервале 4-10 мм.
В варианте технического решения в качестве материала остриев используются сплавы на основе никеля, хрома и титана.
В варианте технического решения в качестве материала остриев используются сплавы на основе никеля, хрома и титана, покрытые сверху иридием.
В варианте технического решения в качестве материала остриев используются сплавы на основе никеля, хрома и титана, покрытые сверху иттрием.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически изображен заявляемый спектрометр подвижности ионов, на фиг.2 иллюстрируется выполнение дрейфового электрода в виде совокупности идентичных колец.
Спектрометр подвижности ионов содержит реакционную камеру 1, цилиндрический дрейфовый электрод 2 и детектор ионов 3. Реакционная камера снабжена входным портом 4 для ввода анализируемого вещества в смеси с газом-носителем и источником ионов с коронным разрядом, выполненным в виде сегмента полусферы 5 с радиусом кривизны R. На внутренней поверхности металлического сегмента полусферы 5, обращенной к дрейфовому электроду 2, размещены в шахматном порядке металлические острия 6, ориентированные по нормали к поверхности сегмента полусферы 5 в направлении к оси дрейфового электрода 2. Длина остриев выбирается в интервале 10-20 мм, а расстояние между вершинами остриев по дуге полусферы составляет 4-10 мм, причем расстояние между остриями возрастает по мере увеличения их длины, т.е. расстояние 4 мм соответствует остриям длиной 10 мм, а расстояние 10 мм соответствует остриям длиной 20 мм. Указанный выбор расстояний между вершинами остриев 6 предотвращает наложение электрических полей соседних остриев друг на друга.
-4
Радиус кривизны остриев 6 не превышает 1×10 мм. В качестве материала остриев 6 с целью предотвращения окисления их поверхности используются сплавы на основе никеля, хрома и титана, а в случае работы заявляемого спектрометра с агрессивными компонентами газов в качестве материала остриев 6 используются сплавы на основе никеля, хрома и титана, покрытые сверху иридием или иттрием.
Между источником ионов и дрейфовым электродом 2 расположен управляемый сеточный затвор 7, которому придана форма сегмента полусферы с радиусом кривизны R, равным радиусу кривизны сегмента полусферы 5 (т.е. форма сеточного затвора 7 повторяет форму сегмента 5). Сеточный затвор 7 обращен своей внешней поверхностью к источнику ионов, при этом расстояние L между вершинами остриев 6 и сеточным затвором 7 выбирается из условия L≤3 мм. Прозрачность сеточного затвора - не хуже 80-90%. Сеточный затвор 7 выполняется из материалов, устойчивых к окислению и обладающих минимальным коэффициентом химического распыления, например молибдена, никеля, хрома.
Входной порт 4 расположен в реакционной камере 1 таким образом, что анализируемое вещество в смеси с газом-носителем поступает непосредственно в пространство между остриями 6 и сеточным затвором 7. Область, занимаемая сеточным затвором 7, служит выходным портом для вывода ионов во внутреннюю полость дрейфового электрода 2.
4
Дрейфовый электрод 2 выполнен из высокоомного материала с удельным электрическим сопротивлением, находящимся в диапазоне (0,3-2,0)×10 Ом×м. При такой величине электрического удельного сопротивления дрейфового электрода распределение эквипотенциалей электрического поля будет наиболее однородным. Кроме того, выполнение дрейфового электрода из высокоомного материала обеспечивает минимальную нагрузку на источник дрейфового напряжения, поскольку полное электрическое сопротивление дрейфового электрода может составлять от 10 до 100 МОм и более. В качестве высокоомного материала дрейфового электрода 2 могут использоваться сложные окислы переходных металлов: железа, никеля, кобальта, например, с легирующими добавками меди или магния, полупроводниковые ферриты.
Торцы дрейфового электрода 2 металлизированы, и к ним подсоединены выводы источника дрейфового напряжения 8. На выходе дрейфового электрода 2 расположен детектор ионов 3.
Конструктивно дрейфовый электрод 2 может быть выполнен в виде монолитной трубы (фиг.1) или в виде совокупности идентичных колец 9 (фиг.2), соединенных механическим путем, например посредством стягивания в пакет помощью пластин 10 и шпилек 11.
Спектрометр подвижности ионов работает следующим образом. В камеру 1 через порт 4 поступает проба анализируемого вещества в смеси с газом-носителем. В полости сегмента полусферы 5 вблизи остриев 6 генерируется коронный разряд, приводящий к ионизации молекул газа-носителя и анализируемого вещества. На сеточный затвор 7 подается импульсный сигнал (например, отрицательный при генерировании положительных ионов), и образовавшиеся ионы выталкиваются в пространство дрейфа, образованное внутренней полостью дрейфового электрода 2. Между противоположными торцами дрейфового электрода 2 в пространстве дрейфа возникает линейно изменяющееся электрическое поле, которое «тянет» ионы к детектору 3. Ориентация остриев 6 по радиусу сегмента полусферы в направлении к оси дрейфового электрода 2 способствует фокусировке ионов в приосевую область дрейфового электрода 2.
Осаждение заряженных и нейтральных частиц в пространстве дрейфа на стенках дрейфового электрода 2, как было отмечено выше, является нежелательным явлением, поскольку может привести вследствие эффекта зарядки к образованию локальных электрических полей, распределенных в пространстве случайным образом, и, как следствие, к искажению силовых линий электрического поля в пространстве дрейфа. Фокусировка ионов в приосевую область дрейфового электрода за счет выбора конструкции источника с коронным разрядом позволяет существенно уменьшить вероятность такого осаждения ионов в пространстве дрейфа.
Регистрируемые детектором 3 ионы разделяются по группам в зависимости от времени прихода на детектор 3, что позволяет идентифицировать анализируемые вещества. Величина сигнала детектора пропорциональна концентрации анализируемого вещества компоненты в смеси с газом-носителем.
4
Заявляемый спектрометр позволяет достичь более высокой разрешающей способности. Это обеспечивается реализацией линейного распределения электрического поля в пространстве дрейфа, имеющего стабильный характер, за счет использования в качестве материала дрейфового электрода высокоомного материала с удельным электрическим сопротивлением в диапазоне (0,3-2,0)×10 Ом×м и фокусировки ионов в приосевую область пространства дрейфа благодаря примененной конструкции источника ионов с коронным разрядом, выполненного в виде сегмента полусферы с размещенными на внутренней поверхности сегмента, обращенной к пространству дрейфа, металлическими остриями с малым радиусом кривизны при вершине остриев.