ИСТОЧНИК ИОНИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
BARRIER DISCHARGE-BASED IONISATION SOURCE

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для генерации положительно и отрицательно заряженных ионов из очищенного воздуха или других газов. Изобретение предназначено для применения в качестве ионизатора в спектрометрах ионной подвижности, масс-спектрометрах и других аналитических приборах.
Одним из применений источников ионизации является детектор спектрометра ионной подвижности. В большинстве спектрометров ионной подвижности и, особенно портативных, применяют радиоактивные источники ионизации, на основе радиоактивных веществ ,таких как тритий и никель 63, являющихся источниками бета-излучения. В результате ионизации, под воздействием бета-излучения, при атмосферном давлении в области ионизации образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти ионы впоследствии взаимодействуют с молекулами веществ, подлежащих обнаружению, с образованием ионных кластеров, которые разделяются в электрическом поле и регистрируются измерительной системой.
Преимуществами радиоактивных источников ионизации являются их простота, стабильность и отсутствие электрических помех. Кроме того, эти источники не потребляют дополнительной энергии. Тем не менее существуют нормативные препятствия, затрудняющие применение приборов с такими источниками ионизации, которые связаны с требованиями безопасности эксплуатации радиоактивных источников ионизации и проблемами их утилизации.
Альтернативой радиоактивному источнику ионизации для применения в спектрометрах ионной подвижности может быть источник ионизации на коронном разряде. Преимуществом ионизатора на коронном разряде является возможность получения более высоких концентраций ион-реагента, чем в случае применения радиоактивного источника ионизации. Это приводит к снижению пределов обнаружения токсических веществ и расширяет концентрационный динамический диапазон. Кроме того, ионизаторы на коронном разряде имеют более низкую стоимость. При генерации положительных ионов состав образуемых в радиоактивном ионизаторе и ионизаторе на коронном разряде ионов практически идентичен. При генерации отрицательных ионов источник ионизации на коронном разряде имеет существенный недостаток - это сложный и не оптимальный состав, 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].
При этом ряд факторов существенно влияет на ионный состав, и, как следствие, на пределы обнаружения токсических веществ. Такими факторами являются постоянный или переменный характер напряжения, приложенного к ионизатору на коронном разряде, величина напряжения, потенциал смещения. Также имеет значение конструкция ионизатора. Кроме того, влияние на ионный состав может оказывать направление и скорость газовых потоков в ионизационной камере [Andrew J Bell and Stuart K Ross, Reverse Flow Continuous Corona Discharge lonisation, IJIMS 5(2002) 95-99]. При оптимальных значениях постоянного напряжения и значительных величинах скорости газовых потоков доля высокоактивных ионов кислорода может достигать одной трети от доли малоактивных ионов.
В качестве прототипа рассматривается патент США №7,157,721 от 02.02.2007, в котором предложен источник ионизации для генерации отрицательных ионов, состоящий из диэлектрической пластины, к которой с противоположенных сторон прикреплены электроды, отличающиеся по размеру. Далее в описании изобретения больший электрод назван индуцирующим, меньший - коронирующим. Для генерации ионов к электродам подводится высоковольтное радиочастотное напряжение. Форма и периметр коронирующего электрода 1 определяет количество генерируемых ионов. Когда источник ионизации находится в замкнутом объеме, в основном образуются ионы оксидов азота, а в открытом объеме образуются преимущественно ионы оксидов углерода и в незначительном количестве ионы кислорода и озона. При применении такого источника ионизации в детекторе ионной подвижности может быть проведено детектирование гексогена и нитроглицерина. Однако при применении данного источника ионизации не могут быть обнаружены следовые количества многих классов химических веществ, вступающих во взаимодействие только с ионами кислорода.
Задачей предлагаемого изобретения является возможность управления составом и количеством генерируемых ионов для расширения списка обнаруживаемых веществ.
Для решения поставленной задачи предложен источник ионизации на основе барьерного разряда, состоящий из ионизационной камеры, включающей индуцирующий электрод, прикрепленный к поверхности диэлектрической пластины и коронирующий электрод, расположенный напротив индуцирующего электрода, а также источника импульсов высокого напряжения, причем коронирующий электрод отделен от поверхности диэлектрической пластины газовым промежутком 10-100 мкм, а к ионизационной камере подключена система подачи очищенного газа, выполненная с возможностью регулирования объемной скорости газового потока.
Сущность изобретения заключается в том, что предложенная совокупность признаков позволяет генерировать как положительные, так и отрицательные ионы, причем состав и количество отрицательных ионов может управляться в зависимости от напряжения и объемной скорости газового потока в ионизационной камере. С помощью предлагаемого источника ионизации на основе барьерного заряда появляется возможность обнаружения химических веществ, например, в детекторе спектрометра ионной подвижности, ранее затрудненных или невозможных к обнаружению при помощи существующих источников на основе коронного разряда.
На фигуре 1 изображена схема источника ионизации на основе барьерного разряда.
На фигуре 2 изображена схема установки для регистрации спектров ионной подвижности.
На фигуре 3 изображена спектрограмма смеси метилсалицилата
Схема источника ионизации, изображенного на фигуре 1, включает ионизационную камеру 1, впускной патрубок 2 и выпускной патрубок 3, присоединенные к ионизационной камере 1. Диэлектрическая пластина 4, изготовленная из оксида алюминия или двух, или трехкомпонентных оксидных материалов с диэлектрической проницаемостью не ниже 20 и шлифованной поверхностью шероховатостью Rz величиной не менее 2-5 мкм, вмонтирована в ионизационную камеру 1. Индуцирующий электрод 5 прикреплен к поверхности диэлектрической пластины 4. Коронирующий электрод 6 расположен на расстоянии 10-100 мкм от диэлектрической пластины 4. Источник высоковольтного напряжения 7 подключен к индуцирующему электроду 5 и коронирующему электроду 6. Вытягивающий электрод 8 вмонтирован в ионизационную камеру, а система подачи очищенного газа (воздуха) 9 подключена к впускному патрубку 2. Коронирующий электрод 6 может быть выполнен в виде диска толщиной 0,1-0,2 мм и, предпочтительно, изготовлен из никеля или золота. Рабочая зона диска расположена напротив индуцирующего электрода и представляет собой группу профилированных отверстий с заостренной рабочей кромкой. В другом исполнении коронирующий электрод может быть выполнен в виде кольца с закрепленными в рабочей зоне одной или несколькими металлическими проволоками диаметром 0,015-0,024 мм. Материал проволок - предпочтительно золото, никель. Возможно применение проволок из других металлов, таких как W, Pt, Nb, Та.
Для улучшения условий ионизации поверхность диэлектрической пластины со стороны коронирующего электрода должна обладать определенной шероховатостью Rz величиной не менее 2-5 мкм.
Для генерации ионов на источник ионизации на основе импульсного объемного барьерного заряда подается высоковольтное напряжение величиной 1-2 кВ при наличии подставки напряжением до 1 кВ.
В другом варианте на ионизатор подается высоковольтное напряжение радиочастоты величиной 1-2 кВ при наличии подставки до 1 кВ.
2
2
2
2
2
3
3
Ионный состав отрицательных ионов может изменяться от от O-, CO·O- и (HO)nO до NOx-, CO- и O- в зависимости от величины высоковольтного напряжения и объемной скорости очищенного воздуха, поступающего в ионизационную камеру.
Состав положительных ионов остается практически постоянным.
Количество генерируемых ионов может управляться за счет величины высоковольтного напряжения и конструкции коронирующего электрода.
При применении источники ионизации на основе объемного барьерного разряда в ион-дрейфовом спектрометре для генерации положительно и отрицательно заряженных ионов в ионизационной камере при атмосферном давлении в среде очищенного воздуха или других газов коронирующий электрод 6 так же является выталкивающим электродом.
Источник высоковольтного напряжения 7 производит управляемые импульсы высокого напряжения величиной 0,5-2 кВ с частотой 10-50 Гц, при наличии подставки высоковольтного напряжения величиной до 1 кВ, в другом варианте высоковольтный источник производит высоковольтное напряжение радиочастоты величиной 0,5-2 кВ при наличии подставки высоковольтного напряжения величиной до 1 кВ.
При приложении высоковольтного напряжения между индуцирующим электродом 5 и коронирующим электродом 6 возникает коронный разряд, который ионизирует молекулы воздуха. На поверхности диэлектрической пластины 4 с определенной шероховатостью Rz, не менее 2-5 мкм, за счет возникновения локальных неоднородностей электрического поля, условия ионизации улучшаются. 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 область ионизации обдувается чистым сухим газом (воздухом), который создается системой подачи очищенного газа 9 и подается через входной патрубок 2. Молекулы озона и окислы азота удаляются из ионизационной камеры через выпускной патрубок 3.
2
-1
-1
2
-1
-1
На фигуре 2 приведена схема установки, на которой регистрировались спектры ионной подвижности. Источник ионизации на основе барьерного разряда 10 присоединен к детектору спектрометра ионной подвижности 11, ток, создаваемый ионами, образующимися в детекторе, преобразуется усилителем 12 и отображается устройством регистрации 13. Для определения доли высокоактивных ионов кислорода в детектор спектрометра ионной подвижности вводился метилсалицилат. На фигуре 3 приведен вид спектра метилсалицилата. Молекулы метилсалицилата образуют кластеры только с ионами кислорода и не взаимодействуют с малоактивными ионами. Подвижность ионов кислорода составляет 2,16 смВс и на спектре ионной подвижности ионам кислорода соответствует пик 14 (6,4 мс). Подвижность кластера молекулы метилсалицилата с ионом кислорода 1,56 смВс, что соответствует на спектре пику 15 (9,8 мс). [Andrew J Bell and Stuart К Ross, Reverse Flow Continuous Corona Discharge lonisation, IJIMS 5(2002) 95-99]. По соотношению пиков видно, что в ионизированном воздухе преобладают ионы кислорода.