БИПОЛЯРНЫЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ ИСТОЧНИК
BIPOLAR IONISATION SOURCE

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для одновременной ионизации в положительной и отрицательной модах частиц веществ, находящихся в газе, в том числе в воздухе, например, ионов взрывчатых, наркотических и сопутствующих им веществ.
Известны однополярные ионизационные источники для образования отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, включающие камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источник, испускающий в камеру ионизации электроны, электрод, расположенный вблизи источника и находящийся под потенциалом, обеспечивающим транспортировку отрицательных ионов из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации [Патент РФ №2117939, 20.08.1998; Патент США №5969349, 19.10.1998].
Известны однополярные ионизационные источники для образования отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, включающие камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, фотоэмиссионный источник, состоящий из источника ультрафиолетового излучения и эмиттера, испускающего в камеру ионизации электроны, электрод, расположенный вблизи источника и находящийся под потенциалом, обеспечивающим транспортировку отрицательных ионов из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации [Патенты США: №4476392, 09.10.1984; №7304298, 04.12.2007].
Основным недостатком этих технических решений является невозможность анализа веществ, не способных образовывать отрицательные ионы.
Известен также однополярный ионизационный источник для образования положительных ионов микропримесей веществ в газе, включающий камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источник ультрафиолетового излучения, облучающего анализируемый газ, электрод, расположенный вблизи источника ультрафиолетового излучения, находящийся под потенциалом и обеспечивающий транспортировку из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации положительных ионов [Патент США №5420424, 30.05.1995].
Основным недостатком этого технического решения является невозможность регистрации веществ, не способных образовывать положительные ионы.
Этого недостатка лишены известные биполярные ионизационные источники для образования положительных и отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, включающие две камеры, разделенные полупроницаемой мембраной, причем первая камера продувается потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, вторая - потоком дрейфового газа, содержащего пары подмешиваемого вещества и пары анализируемых веществ, продиффундировавших сквозь мембрану, источник ультрафиолетового излучения, облучающего дрейфовый газ, электроды, находящиеся под потенциалом и обеспечивающие транспортировку в устройство разделения и регистрации из второй камеры либо положительных, либо отрицательных ионов [Патенты США: №5338931, 16.08.1994; №5968837, 19.10.1999].
Известен также биполярный ионизационный источник для образования положительных и отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, включающий камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, эмиттер, источник ультрафиолетового излучения, облучающего анализируемый газ и эмиттер, испускающий под действием этого излучения электроны, электрод, расположенный на выходе из камеры ионизации, причем между эмиттером, расположенным вблизи источника ультрафиолетового излучения и указанным электродом приложена разность потенциалов, обеспечивающая транспортировку из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации либо положительных, либо отрицательных ионов [С.Chen, С.Dong, Y. Du, S. Cheng, F. Han, L. Li, W. Wang, K. Hou, H. Li // Anal. Chem. 2010, 82, 4151-4157].
Основным недостатком этих технических решений является невозможность одновременной транспортировки на разделение и регистрацию положительных и отрицательных ионов.
Известны биполярные ионизационные источники для образования положительных и отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, включающие камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источник ионизирующего излучения, облучающего анализируемый газ, побудитель потока газа, обеспечивающий транспортировку положительных и отрицательных ионов в потоке анализируемого газа из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов [Патенты США: №7005623, 28.02.2006; №7119328, 10.10.2006].
Основными недостатками данных технических решений являются: ограниченное применение, обусловленное радиоактивной природой источников ионизирующего излучения; наличие в ионной смеси большого количества реактант-ионов, значительно усложняющих интерпретацию состава этой смеси; невозможность управления интенсивностью ионизации.
Наиболее близким к предлагаемому является биполярный ионизационный источник для образования положительных и отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, включающий камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источник ионизирующего излучения, либо источник ультрафиолетового излучения, облучающие анализируемый газ, побудитель потока газа, обеспечивающий транспортировку ионов в потоке анализируемого газа из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов [Патент США №6512224, 28.01.2003].
Основными недостатками этого технического решения являются: при использовании источника ионизирующего излучения - ограниченное применение, обусловленное радиоактивной природой источников ионизирующего излучения;
наличие в ионной смеси большого количества реактант-ионов, значительно усложняющих интерпретацию состава этой смеси; невозможность управления интенсивностью ионизации; при использовании источника ультрафиолетового излучения - невозможность регистрации веществ, имеющих высокий потенциал ионизации и не способных образовывать положительные ионы.
Задачей настоящего изобретения является создание нерадиоактивного биполярного ионизационного источника для образования одновременно транспортируемых в устройство разделения и регистрации положительных и отрицательных ионов микропримесей веществ в газе, обеспечивающего возможность регистрации веществ, имеющих высокий потенциал ионизации.
Техническим результатом заявляемого технического решения является возможность образования и одновременной транспортировки как положительных, так и отрицательных ионов микропримесей веществ в газе и, как следствие, расширение перечня анализируемых веществ (взрывчатых, наркотических), регистрируемых с использованием предлагаемого нерадиоактивного ионизационного источника. Дополнительным техническим результатом является повышение эффективности ионизации микропримесей анализируемых веществ.
Указанный технический результат достигается тем, что в биполярный ионизационный источник, включающий камеру ионизации, продуваемую потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источник ультрафиолетового излучения, облучающий анализируемый газ, устройство разделения и регистрации ионов, соединенное с камерой ионизации, побудитель потока газа, обеспечивающий транспортировку положительных и отрицательных ионов в потоке газа из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов, согласно изобретению в камеру ионизации дополнительно введен эмиттер, обдуваемый потоком газа и испускающий электроны под действием ультрафиолетового излучения.
Эмиттер выполнен из материала, полупрозрачного для ультрафиолетового излучения.
Эмиттер имеет сквозные отверстия.
Эмиттер расположен на расстоянии от источника ультрафиолетового излучения, достаточном для формирования потока газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, между эмиттером и источником ультрафиолетового излучения.
Дополнительно введен второй источник ультрафиолетового излучения, облучающий эмиттер.
Дополнительно в камеру ионизации введен оптический элемент, выполненный из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, разделяющий поток газа, на одной стороне этого оптического элемента, противоположной от источника ультрафиолетового излучения, расположен эмиттер.
Дополнительно введен источник напряжения, а эмиттер выполнен из электропроводящего материала и подключен к этому источнику, обеспечивающему разность потенциалов между эмиттером и устройством разделения и регистрации ионов.
Дополнительно введены два электрода, которые расположены в камере ионизации, и два источника напряжения, подключенные к указанным электродам и обеспечивающие разность потенциалов между электродами, эмиттером и устройством разделения и регистрации ионов.
Дополнительно для повышения эффективности ионизации введены источники паров примесных веществ, причем одно из веществ имеет сродство к электрону и/или кислотность ниже, чем сродство к электрону и/или кислотность анализируемого вещества, а другое имеет сродство к протону и/или основность ниже, чем сродство к протону и/или основность анализируемого вещества.
При облучении газовой пробы, содержащей микропримеси анализируемых веществ, потоком электромагнитного излучения ультрафиолетового диапазона и поглощении этого излучения частицами (атомами или молекулами) анализируемых веществ происходит испускание электронов этими частицами. Как результат, происходит образование положительных ионов (фотоионизация). При воздействии этим же излучением на некоторую поверхность с малой работой выхода - эмиттер, происходит испускание электронов (т.е. фотоэмиссия) и захват этих электронов частицами анализируемых веществ. В результате образуются отрицательные ионы анализируемых веществ. Поток газа одновременно транспортирует в устройство разделения и регистрации как положительные, так и отрицательные ионы.
Преимущества настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
фиг.1 - биполярный ионизационный источник: А) с эмиттером со сквозными отверстиями; Б) с двумя источниками ультрафиолетового (УФ)-излучения; В) с разделяющим поток газа оптическим элементом, выполненным из материала, прозрачного для УФ-излучения, на одной стороне которого расположен электропроводящий эмиттер, а также двумя электродами и тремя источниками напряжения;
фиг.2 - спектры смеси паров взрывчатых веществ в воздухе, зарегистрированные с помощью спектрометра приращения ионной подвижности, использованного в качестве устройства разделения и регистрации, и предлагаемого биполярного ионизационного источника. 2,4-динитротолуол (ДНТ) и 2,4,6-тринитротолуол (ТНТ) образуют отрицательные ионы, пара-мононитротолуол (МНТ) - положительные.
Биполярный ионизационный источник (фиг.1А) состоит из камеры ионизации 1, продуваемой потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источника УФ-излучения 2 с окном 3, эмиттера 4 со сквозными отверстиями (либо полупрозрачного для УФ-излучения), расположенного в камере ионизации 1 (например, перед окном 3 источника УФ-излучения 2), источников паров примесных веществ 5 и 6, устройства разделения и регистрации ионов (не показано), соединенного с камерой ионизации, побудителя расхода газа (не показан), обеспечивающего в потоке газа транспортировку положительных и отрицательных ионов из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов (не показано). Стенка камеры ионизации 1 может быть снабжена отверстиями для подачи паров примесных веществ, одно из которых может иметь сродство к электрону и/или кислотность ниже, чем сродство к электрону и/или кислотность анализируемого вещества, а другое - сродство к протону и/или основность ниже, чем сродство к протону и/или основность анализируемого вещества.
-
Биполярный ионизационный источник работает следующим образом. Через камеру ионизации 1 продувают поток газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ. Поток газа формируют с помощью побудителя расхода газа (например, с помощью насоса, соединенного с устройством разделения и регистрации, или газового баллона, соединенного с камерой ионизации, или любого другого устройства, создающего перепад давления). Источник УФ-излучения 2 через окно 3 испускает фотоны (hv), которые облучают поверхность эмиттера 4 и через сквозные отверстия в эмиттере (или тело полупрозрачного эмиттера) облучают газовую пробу. При облучении газовой пробы за счет фотоионизации происходит образование положительных ионов анализируемых веществ, в то время как при облучении эмиттера 4 с его поверхности происходит эмиссия электронов (е) с последующим их захватом анализируемыми веществами и образованием отрицательных ионов. Далее смесь положительных и отрицательных ионов потоком газа транспортируют в устройство разделения и регистрации (не показано). Для повышения эффективности ионизации в камеру ионизации 1 через отверстия в стенке камеры подают пары примесных веществ из источников паров примесных веществ 5 и 6.
Биполярный ионизационный источник с повышенной эффективностью ионизации (фиг.1Б) состоит из камеры ионизации 1, продуваемой потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, источника УФ-излучения 2 с окном 3, эмиттера 4, расположенного в камере ионизации, второго источника УФ-излучения 7 с окном 8, перед которым расположен эмиттер, устройства разделения и регистрации ионов (не показано), соединенного с камерой ионизации, побудителя расхода газа (не показан), обеспечивающего в потоке газа транспортировку положительных и отрицательных ионов из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов (не показан).
-
Биполярный ионизационный источник с двумя источниками УФ-излучения работает следующим образом. Через камеру ионизации 1 продувают поток газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ. Поток газа формируют с помощью побудителя расхода газа (не показан). Источник УФ-излучения 2 через окно 3 испускает фотоны (hv), которые облучают газовую пробу, а источник УФ-излучения 7 через окно 8 испускает фотоны, которые облучают поверхность эмиттера 4. При облучении газовой пробы за счет фотоионизации происходит образование положительных ионов анализируемых веществ, а при облучении эмиттера 4 происходит эмиссия электронов (е) и последующий их захват анализируемыми веществами с образованием отрицательных ионов. Далее смесь положительных и отрицательных ионов потоком газа транспортируют в устройство разделения и регистрации (не показано). Использование двух источников УФ-излучения повышает эффективностью ионизации, как и то, что основная концентрация положительных ионов сосредоточена вблизи источника, облучающего газовую пробу, а отрицательных - вблизи эмиттера, испускающего электроны, что снижает рекомбинацию положительных и отрицательных ионов.
Биполярный ионизационный источник, схема которого приведена на фиг.1В, состоит из камеры ионизации 1, продуваемой потоком газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ, оптического элемента 9, прозрачного для УФ-излучения, расположенного внутри камеры ионизации 1 и разделяющего поток газа, эмиттера 4, расположенного на оптическом элементе 9 на стороне, противоположной от источника УФ-излучения 2, устройства разделения и регистрации ионов (не показано), соединенного с камерой ионизации, побудителя расхода газа (не показан), обеспечивающего в потоке газа транспортировку положительных и отрицательных ионов из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов, электродов 10, 11 и источников напряжения 12, 13, 14. Эмиттер 4 подключен к источнику напряжения 12, электрод 10 - к источнику напряжения 13, электрод 11 - к источнику напряжения 14.
-
Описанный выше биполярный ионизационный источник работает следующим образом. Через камеру ионизации 1 продувают поток газа, содержащего микропримеси анализируемых веществ. Поток газа формируют с помощью побудителя расхода газа (не показан). Источник УФ-излучения 2 через окно 3 испускает фотоны (hv), которые облучают газовую пробу и через оптический элемент 9, прозрачный для УФ-излучения, облучают эмиттер 4, расположенный на оптическом элементе 9 на стороне, противоположной от источника УФ-излучения 2. При облучении газовой пробы за счет фотоионизации происходит образование положительных ионов анализируемых веществ, в то время как при облучении эмиттера происходит эмиссия электронов (е) с последующим их захватом анализируемыми веществами и образование отрицательных ионов. Далее положительные и отрицательные ионы раздельными потоками газа транспортируют в устройство разделения и регистрации (не показано). Электрод 10, 11 и источники напряжения 12, 13, 14 введены для согласования потенциалов между камерой ионизации (т.е. электродами, эмиттером) и устройством разделения и регистрации ионов. Формирование потоков, содержащих только однополярные ионы, исключает возможность рекомбинации ионов разных знаков и, следовательно, повышает эффективность ионизации источника.
3
На фиг.2, для примера, представлены спектры смеси паров взрывчатых веществ в воздухе (МНТ+ДНТ+ТНТ), зарегистрированные с помощью предлагаемого биполярного ионизационного источника и спектрометра приращения ионной подвижности (СПИП), использованного в качестве устройства разделения и регистрации. В биполярном ионизационном источнике использовали криптоновую лампу с энергией фотонов 10.6 эВ. Эмиттером служила сетка из никеля, расположенная на поверхности окна лампы. Параметры камеры разделения СПИП: расстояние между электродами - 0.17 см, длина электродов - 7 см, скорость потока дрейфового газа - 30 см/с. Как видно из фигуры, в спектре положительных ионов присутствовали пики МНТ, а в спектре отрицательных - пики ДНТ и ТНТ. Регистрировали как положительные ионы МНТ, образующиеся при фотоионизации, так и отрицательные ионы ДНТ и ТНТ, образующиеся при помощи фотоэлектронов с поверхности эмиттера. Следует отметить, что при энергии фотонов 10.6 эВ процесс фотоионизации ДНТ и ТНТ маловероятен, и отрицательные ионы МНТ в условиях атмосферы также не образуются. Использование биполярного ионизационного источника позволяет регистрировать все эти вещества, что расширяет перечень анализируемых веществ.
Реализация предлагаемого технического решения представляет собой простую техническую задачу. Для этого в камере ионизации, подобной той, которую используют в прототипе, достаточно установить эмиттер, облучаемый источником УФ-излучения и испускающий электроны под действием этого излучения. Для реализации более сложных вариантов предлагаемого устройства необходимо в его состав вводить соответствующие элементы: дополнительный источник УФ-излучения; оптический элемент, прозрачный для УФ-излучения; два дополнительных источника напряжения и электрод; источники паров примесных веществ. В качестве устройства разделения и регистрации ионов в газе может использоваться устройство, описанное в прототипе, либо любое другое подобное устройство. В качестве побудителя потока газа, обеспечивающего транспортировку положительных и отрицательных ионов в потоке газа из камеры ионизации в устройство разделения и регистрации ионов, может быть использован насос, подключенный газовым каналом к устройству разделения и регистрации ионов в газе, или газовый баллон, соединенный с камерой ионизации, или, например, газохроматографическая колонка, выходной конец которой соединен с камерой ионизации, или любое другое устройство, создающее перепад давления.