Спектрометр ионной подвижности

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения для исследования и анализа газов, а именно к приборам спектрометрии ионной подвижности, предназначенных для детектирования и идентификации сверхмалых количеств органических веществ, прежде всего, взрывчатых, отравляющих, наркотических и психотропных веществ.
Из предшествующего уровня техники известны устройства для обнаружения микропримесей органических веществ в газах (RU 2216817 C2, 2003; RU 2239826 C1, 2004;), которые основаны на использовании спектрометрии ионной подвижности и содержат узел пробоотбора, ионизационную камеру с радиоактивным источником ионизации молекул на основе трития и Ni63, являющихся источниками бета-излучения, камеру дрейфа ионов с системой электродов, электрометрический усилитель, блок обработки сигналов и источник электропитания. Недостатком применения источников ионизации на основе трития и Ni63 является нормативные ограничения связанные с требованиями безопасности при их эксплуатации и дальнейшей утилизации.
Также известны устройства для обнаружения микропримесей органических веществ в газах (RU 2256255 C2, 2005; RU 2298177 C1, 2007), основанные на использовании спектрометрии ионной подвижности, конструктивно содержащие ионизационную камеру с источником ионизации на основе УФ-лампы. Недостатками указанных известных устройств являются нестабильность аналитических характеристик из-за осаждения мешающих примесей и загрязнений на УФ-источнике, ограниченный потенциал ионизации газов, а также зависимость чувствительности от концентрации паров воды, что сужает область его применения, в частности проблематично применение указанного способа для анализа атмосферного воздуха.
Наиболее близким по конструкции к настоящей полезной модели является спектрометр подвижности ионов для обнаружения мало летучего органического вещества (RU 84564 U1, 2009), который может быть использован для обнаружения и идентификации следовых количеств мало летучих органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ. Спектрометр содержит камеру ионизации с впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха и источником коронного разряда в качестве источника ионизации, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, сочлененную с ионизационной камерой, первый затвор, установленный между камерой ионизации и камерой дрейфа ионов, второй затвор, установленный между источником коронного разряда и впускным и выпускным патрубками, а также источник напряжений для электродов, подключенный к источнику коронного разряда, первому и второму затворам и коллекторному электроду и выполненный с возможностью изменения приложенного к первому затвору напряжения. Источник напряжений для электродов выполнен с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, и второй затвор выполнен с возможностью пропускания ультрафиолетового оптического излучения. При этом первый и второй затворы выполнены в виде металлической сетки или в виде перфорированной металлической пластины.
Выполнение источника электропитания с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, и выполнение второго затвора с возможностью пропускания ультрафиолетового оптического излучения, например, в виде металлической сетки или в виде перфорированной металлической пластины, по заявлению авторов обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
По мнению авторов ближайшего аналога, при возникновении коронного разряда ионы пробы анализируемого воздуха образуются как непосредственно в области действия коронного разряда около инициирующих его электродов, так и на относительно большом расстоянии (до 10 мм) от них за счет ультрафиолетового излучения, возникающего при коронном разряде за счет возбуждения молекул воздуха и перехода их из метастабильного в нормальное состояние.
При попытке обнаружения следовых количеств мало летучих органических веществ реактант-ионы, образовавшиеся в области действия коронного разряда и имеющие тот же знак, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, начинают играть отрицательную роль, вызывая повышение вероятности пропуска обнаруживаемого органического вещества. Поэтому выполнение источника электропитания с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, за счет создания потенциального барьера при функционировании спектрометра препятствует проникновению таких ионов из области действия коронного разряда через второй затвор в камеру дрейфа ионов. Вместе с тем, мягкое ультрафиолетовое излучение, возникающее при коронном разряде и проходящее через второй затвор к пробе анализируемого воздуха, ионизирует только содержащиеся в ней молекулы кислорода, которые затем легко захватывают недостающие электроны у молекул анализируемого вещества, превращая их в положительно заряженные ионы.
Поэтому, как заявляют авторы ближайшего аналога, использование для ионизации молекул анализируемого вещества лишь ультрафиолетового излучения коронного разряда и предотвращение попадания реактант-ионов, образовавшихся в зоне действия коронного разряда, приводит к повышению чувствительности и разрешающей способности спектрометра подвижности ионов для обнаружения мало летучего органического вещества, что обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества. Однако, в свою очередь для генерации ультрафиолетового излучения в конструкции ближайшего аналога используется источник коронного разряда, выполненный, по схеме острие-острие из нескольких пар иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава. Недостатком данной конструкции является то, что поверхность коронирующего острия электродов под действием высокой температуры и физических процессов со временем претерпевает существенные изменения (образование раковин, окисление и т.п.), в результате на поверхности образуются неоднородности, что приводит к значительному изменению характеристик горения коронного разряда, изменению приложенного напряжения, потенциала смещения, снижению продолжительности срока службы электродов и ухудшению генерации ультрафиолетового излучения.
Также в результате генерации отрицательных ионов источник ионизации на коронном разряде имеет сложный и не оптимальный состав ионов, в котором преобладают малоактивные ионы оксидов азота, оксидов углерода и озона при незначительном содержании высокоактивных ионов кислорода. [M.Tabrizchi, T.Khayamian, N.Taj, Rev. Sci. Instr. 71 (2000) 2321].
Еще одним существенным недостатком конструкции ближайшего аналога является то, что источник коронного разряда отделен от зоны взаимодействия реактант-ионов с молекулами анализируемого вещества затвором, выполненным в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластины из нержавеющей стали толщиной 0,125 мм с квадратными отверстиями размером 0,5×0,5 мм с шагом между отверстиями, равным 1 мм. Геометрическая прозрачность данного затвора составляет приблизительно 28%, что значительно ухудшает прохождение мягкого ультрафиолетового излучения, возникающего при коронном разряде к пробе анализируемого воздуха для химической ионизации, а, соответственно, увеличивает вероятность пропуска молекул анализируемого вещества и ухудшает чувствительность спектрометра ионной подвижности.
Также значительным недостатком конструкции ближайшего аналога является то, что основной процесс химической ионизации реактант-ионов происходит в результате взаимодействия мягкого ультрафиолетового излучения с молекулами анализируемого вещества, т. е. процесса фотоионизации. Данный процесс характеризуется
ограниченной величиной максимальной энергии фотонов (10,5 эВ), недостаточной для возбуждения и ионизации большого числа опасных и токсичных веществ, например, тетрахлорметана (CCl4) - 11,47 эВ; фтортрихлорметана (CFCl3) - 11,77 эВ; дихлорметана (CH2Cl2) - 11,35 эВ; метанола (CH3OH) - 10,85 эВ и т.д.
- зависимостью от влажности окружающего воздуха, при влажности воздуха более 85% происходит активное поглощение молекулами воды энергии ультрафиолетового излучения от коронного разряда, тем самым уменьшается область химической ионизации и образование реактант-ионов, что влечет уменьшение чувствительности спектрометра.
Недостатком спектрометра ионной подвижности, принятого за ближайший аналог, является невысокая чувствительность обнаружения анализируемых органических веществ.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в увеличении количества генерируемых реактант-ионов и уменьшения вероятности пропуска сверхмалых количеств органических веществ.
Данная задача достигается за счет того, что в настоящей полезной модели спектрометр ионной подвижности для детектирования и идентификации сверхмалых количеств органических веществ, содержащий камеру ионизации с источником ионизации на основе объемного барьерного разряда с впускным и выпускным газовыми каналами для впуска и выпуска пробы анализируемого воздуха, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, сопряженную с ионизационной камерой, первый затвор, установленный между источником объемного барьерного разряда и впускным и выпускным газовыми каналами для впуска и выпуска пробы анализируемого воздуха, второй затвор, установленный между камерой ионизации и камерой дрейфа ионов, источник высокого напряжения для электродов источника объемного барьерного разряда, источник высокого напряжения для камеры дрейфа, а также для первого и второго затворов, источник напряжения, выполненный с возможностью изменения приложенного ко второму затвору напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что источник ионизации конструктивно выполнен на основе объемного барьерного разряда, включающий индуцирующий электрод, сопряженный с поверхностью диэлектрической пластины с одной стороны, и разрядный электрод, расположенный напротив индуцирующего электрода с другой стороны, отделенный от поверхности диэлектрической пластины воздушным промежутком в диапазоне 400-600 мкм. Источник ионизации на основе объемного барьерного разряда расположен в ионизационной камере соосно с коллекторным электродом, отделен между первым затвором и разрядным электродом воздушным промежутком в диапазоне 400-600 мкм, а также находится под электрическим потенциалом источника высокого напряжения камеры дрейфа. Включение источника ионизации в поле действия электрического потенциала источника высокого напряжения камеры дрейфа позволяет избежать рекомбинации образующихся в разрядном промежутке в процессе объемного барьерного разряда противоположных по заряду реактант-ионов путем удаления из разрядного промежутка реактант-ионов с зарядом, совпадающим по полярности с потенциалом камеры дрейфа и направления их в зону химической ионизации с пробой анализируемого воздуха, что значительно повышает величину ионного тока на коллекторном электроде.
Первый и второй затворы представляют собой металлические перфорированные пластины с геометрической прозрачностью не менее 60% для более эффективного беспрепятственного дрейфа реактант-ионов от источника ионизации к коллекторному электроду. Предложенный источник ионизации основе объемного барьерного разряда позволяет генерировать как положительные, так и отрицательные ионы, причем количество ионов может управляться в зависимости от приложенного на электроды напряжения. Повышению эффективности ионизации способствует максимальная площадь горения объемного барьерного разряда, которая обеспечивается соразмерностью площади рабочей поверхности диэлектрической пластины с площадью разрядного электрода.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной выше совокупностью признаков, является увеличение количества генерируемых реактант-ионов и уменьшение вероятности пропуска сверхмалых количеств органических веществ.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемое техническое решение неизвестно, а, следовательно, соответствует критерию ”новизна”.
Предлагаемое техническое решение может быть изготовлено в любом металлообрабатывающем производстве при наличии стандартного металлообрабатывающего, гальванического оборудования, а также лазерного оборудования высокой точности. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию “промышленная применимость”.
Устройство полезной модели спектрометра ионной подвижности для детектирования и идентификации сверхмалых количеств органических веществ поясняется Фиг. 1, где 1 - камера ионизации, 2 - впускной газовый канал, 3 - выпускной газовый канал, 4 - диэлектрическая пластина, 5 - индуцирующий электрод, 6 - разрядный электрод, 7 - первый затвор, 8 - второй затвор, 9 - камера дрейфа ионов, 10 - коллекторный электрод, 11 - впускные газовые каналы камеры дрейфа ионов, 12 - осушитель воздуха, 13 - фильтр, 14 - электрометрический усилитель, 15 - центральный блок управления, 16 - источник напряжения для второго затвора, 17 - источник напряжения для затворов, 18 - источник напряжения для источника ионизации, 19 - воздушный насос.
Спектрометр ионной подвижности для детектирования и идентификации сверхмалых количеств органических веществ содержит камеру ионизации 1 и камеру дрейфа ионов 9, сочлененную с камерой 1 ионизации. Камера ионизации 1 содержит впускной газовый канал 2, соединенный с узлом отбора пробы анализируемого воздуха, выполненным, например, в виде резьбового металлического фитинга, газового канала и пробоприемника (на рисунке не показан), и выпускной газовый канал 3, соединенный с магистралью со встроенным воздушным насосом, конструктивно выполненным, например, в виде роторного воздушного насоса и соединенным с окружающей средой. В камере ионизации 1 установлен источник объемного барьерного разряда, который выполнен, например, в виде диэлектрической пластины 4 из пьезокерамики на основе титаната бария (ВаТiO3) или цирконата-титаната свинца (PbTiO3 - PbZrO3) с диэлектрической проницаемостью не ниже 1000. Индуцирующий электрод 5 источника ионизации прикреплен к поверхности диэлектрической пластины 4, разрядный электрод 6 расположен на расстоянии 400-600 мкм от диэлектрической пластины 4. Разрядный электрод 6 выполнен, например, в виде перфорированной пластины толщиной 0,05-0,1 мм с квадратными отверстиями размером 0,5×0,5 мм с шагом между отверстиями, равным 0,6 мм, предпочтительно, изготовленный из никеля или нержавеющей стали. Рабочая зона разрядного электрода 6 расположена напротив индуцирующего электрода 5. Воздушный насос 19 установлен в магистрали выпускного газового канала и подключен входом к выходу центрального блока управления 15.
Камера дрейфа ионов 9 содержит коллекторный электрод 10, установленный соосно с источником ионизации и со стороны, противоположной первому затвору 7, и системой кольцевых электродов (на рисунке не показаны), которые размещены вдоль камеры дрейфа ионов 9 и обеспечивают формирование в ней равномерного продольного электрического поля. В камере дрейфа ионов 9 выполнены впускные газовые каналы 11 рядом и со стороны коллекторного электрода, которые обеспечивают впуск осушенного, в том числе, и от паров воды, осушителем 12 и очищенного через фильтр 13 воздуха в камеру дрейфа ионов 9 в направлении, противоположном направлению дрейфа ионов.
Между камерой 1 ионизации и камерой дрейфа ионов 9 установлен второй затвор 8. В камере 1 ионизации между источником объемного барьерного разряда, а также впускным 2 и выпускным 3 газовыми каналами для впуска и выпуска пробы анализируемого воздуха установлен первый затвор 7. Первый затвор 7 и второй затвор 8 могут быть выполнены, например, в виде перфорированной металлической пластины из никеля или нержавеющей стали толщиной 0,05-0,1 мм с выполнением продолговатых отверстий шириной 0,5 мм с поперечным шагом между отверстиями, равным 0,6 мм., изготовленные, например методом лазерной резки или методом гальванопластики.
Спектрометр ионной подвижности для детектирования и идентификации сверхмалых количеств органических веществ также содержит электрометрический усилитель 14, подключенный коллекторному электроду и центральному блоку управления 15; центральный блок управления 15; источник напряжения 16 для второго затвора с возможностью изменения приложенного напряжения, который подключен входом к выходу центрального блока управления 15, а выходом - ко второму затвору 8; источник напряжения 17, подключенный входом к выходу центрального блока управления 15, а выходом - к первому затвору 7 и второму затвору 8, кольцевым электродам (на чертеже не показаны) камеры дрейфа ионов 9 для подачи высоковольтных напряжений; источник высоковольтного напряжения 18 для источника ионизации, подключенный входом к выходу центрального блока управления 15 и выходами к индуцирующему электроду 5 и разрядному электроду 6.
Полезная модель спектрометра ионной подвижности для детектирования и идентификации сверхмалых количеств органических веществ работает следующим образом.
Оператор спектрометра ионной подвижности включает детектор посредством кнопки включения питания и выполняется автоматическая подготовка детектора к работе: диагностика, калибровка и т. д. Далее оператор подносит детектор пробозаборным узлом (на чертеже не показан) к анализируемому объекту в режиме паров или вставляет носитель для отбора пробы сверхмалых количеств органических веществ устройства пробоотбора в пробоприемник детектора в режиме анализа пробы после чего принудительно либо автоматически начинает работать воздушный насос 19, в результате чего анализируемый воздух всасывается через впускной газовый канал 2 прокачивается через камеру 1 ионизации, выходя в атмосферу через выпускной газовый канал 3, а также одновременно осушенный осушителем 12 и очищенный фильтром 13 воздух всасывается в камеру дрейфа ионов через впускные газовые каналы 11 камеры дрейфа ионов.
Источник 15 напряжений подает на электроды камеры дрейфа ионов постоянное высокое напряжение не менее 2 кВ и полярность, противоположную полярности заряда ионов молекул анализируемого вещества относительно источника барьерного разряда и коллекторного электрода 11, в свою очередь между первым затвором 7 и вторым затвором 8 устанавливается электрическое поле, полярность которого совпадает со знаком зарядов ионов анализируемого вещества, а ко второму затвору 8 - постоянное напряжение того же знака, но меньшее по амплитуде, в результате чего в камере дрейфа ионов 9 возникает продольное электрическое поле.
В результате подачи источником напряжения 16 напряжения на второй затвор 8 противоположного по полярности образующимся в ионном источнике барьерного разряда реактант-ионам, ионы анализируемого вещества, не попадают в камеру дрейфа ионов 9.
Для генерации реактант-ионов и осуществления химической ионизации с молекулами анализируемого вещества на источник ионизации на основе объемного барьерного заряда 18 подается высоковольтное импульсное напряжение величиной не менее 2,5 кВ, частотой 200 кГц и частотой следования 10-50 Гц, синхронизируемое центральным блоком управления 15. Количество генерируемых реактант-ионов может управляться за счет изменения величины высоковольтного напряжения, подаваемого на индуцирующий электрод 5 и разрядный электрод 6. При приложении высоковольтного импульсного напряжения между индуцирующим электродом 5 и разрядным электродом 6 возникает объемный барьерный разряд, который ионизирует молекулы воздуха. Во время ионизации идет процесс диссоциации молекул кислорода, что в дальнейшем приводит к образованию озона и окислов азота, следствием чего происходит образование малоактивных ионов. Для предотвращения этого негативного процесса зона ионизации обдувается очищенным и осушенным воздухом камеры дрейфа 9. Молекулы озона и окислы азота удаляются из ионизационной камеры через выпускной газовый канал 3.
В результате подачи на источник ионизации на основе объемного барьерного заряда 18 высоковольтного импульсного напряжения в рабочей зоне объемного барьерного разряда образуются положительные и отрицательные реактант-ионы. Под действием продольного электрического поля в камере дрейфа ионов 9 реактант-ионы, имеющие полярность, соответствующую полярности приложенного электрического поля к электродам камеры дрейфа ионов 9, из зоны объемного барьерного разряда между диэлектрической пластиной 4 и разрядным электродом 5 через первый затвор 7 поступают в зону камеры 1 ионизации, через которую проходит анализируемый воздух. В камере ионизации реактант-ионы в процессе химической ионизации взаимодействуют с молекулами в пробе анализируемого воздуха, превращая их в положительно или отрицательно заряженные ионы молекул анализируемого вещества, которые в свою очередь задерживаются в камере ионизации 1 вследствие действия поперечного электрического поля камеры дрейфа 9 и запирающего напряжения на втором затворе 8. По истечении заданного интервала времени, необходимого для ионизации молекул обнаруживаемого вещества в камере 1 ионизации, по управляющему сигналу с центрального блока управления 15 источник напряжений для второго затвора 16 изменяет полярность напряжения, имеющее запирающую полярность для ионов анализируемого вещества, в результате чего под действием ускоряющего напряжения, приложенного к камере дрейфа ионов 9 относительно коллекторного электрода 11, находящиеся в камере ионизации 1 между первым затвором 7 и вторым затвором 8 ионы анализируемого вещества начинают дрейфовать через камеру дрейфа ионов 9 к коллекторному электроду 11. Достигнув коллекторный электрод 11, ионы анализируемого вещества обеспечивают формирование на нем электрического сигнала, который после усиления электрометрическим усилителем 14 поступает в центральный блок управления 15, далее сигнал обрабатывается аналого-цифровым преобразователем (на чертеже не показан) в цифровые коды, соответствующие мгновенным значениям электрического сигнала, затем записывается и сравнивается с предварительно заданным значением, которое соответствует определенному веществу в анализируемой пробе воздуха. Значения, соответствующие определенному веществу, задаются в процессе калибровки и настройки детектора.
В случае несоответствия цифрового кода в результате обработки заданному значению определенного вещества центральный блок управления 15 формирует сигнал отсутствия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и отображает его оператору на дисплее детектора (на чертеже не показан). Если цифровой код в результате обработки соответствует заданному значению определенного вещества, то центральный блок управления 15 формирует сигнал наличия и степень его верификации в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и отображает его оператору на дисплее детектора (на чертеже не показан).
В результате этого полезная модель обеспечивает увеличение количества генерируемых реактант-ионов и уменьшение вероятности пропуска сверхмалых количеств органических веществ.