ДЕТЕКТОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Полезная модель относится к области аналитической химии, а именно, к средствам контроля состава газовой фазы, в частности, к детекторам для газовой хроматографии.
Известны пламенно-ионизационные детекторы, представляющие собой горелку, в которую подаются газ-носитель с пробой, водород и воздух. При попадании органических соединений в водородное пламя они ионизируются и увеличивают проводимость пламени, при этом увеличение проводимости пламени регистрируется с помощью измерительного электрода, помещаемого вблизи пламени, другим электродом служит сам корпус горелки (D.Н.Desty, A.Goldup and С.J.Geach, "Gas Chromatography 1960" (Ed. R. P. W. Scott) Butterworths, London (1958) p.156.)
Существенными недостатками устройства являются необходимость использования взрывоопасного газа - водорода, а также возможность детектирования только органических соединений.
Известен детектор для газовой хроматографии, содержащий волновод с источником излучения, служащий одновременно и разрядной камерой, через которую пропускают газ-носитель, и коллекторную камеру, оснащенную поляризационным и измерительным электродами (CN 1955733, 2007).
Недостатками устройства являются ввод анализируемого газа с торца волновода, что увеличивает время контакта плазмы с анализируемым веществом и приводит к значительному загрязнению разрядной камеры углеродом при анализе органических веществ, а также отсутствие средств для охлаждения и отвода избыточной микроволновой энергии, что приводит к перегреву устройства и снижению стабильности его работы. Кроме того, существующий риск загрязнения стенок разрядной камеры отражается на точности анализа и может привести к выходу устройства из строя.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является детектор для газовой хроматографии, представляющий собой СВЧ-разрядник, содержащий разрядную камеру, которую охватывает волновод с источником СВЧ-поля, патрубки для ввода и вывода анализируемого газа, радиальный патрубок для подачи охлаждающего газа в область разрядной камеры и оптический спектрометр, установленный на выходе из разрядной камеры (US 5083004, 1992).
В разрядной камере образуется высокоскоростной поток анализируемого газа за счет его пропускания через сопло. Поток анализируемого газа стабилизирован вихревым потоком охлаждающего газа. При прохождении газа через волновод генерируется СВЧ-разряд, приводящий к возбуждению молекул анализируемых компонентов. Анализ осуществляется путем исследования спектра испускаемого СВЧ-разрядом излучения.
Недостатками устройства являются необходимость использования громоздкой и дорогостоящей оптической аппаратуры для получения информации об анализируемых компонентах, а также необходимость высокоточного изготовления волновода для достижения высокой степени утилизации микроволновой энергии.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка компактного в конструктивном исполнении детектора для газовой хроматографии, обеспечивающего упрощение конструкции, повышение чувствительности анализа и надежности работы за счет приближения зоны анализа смеси к области разряда, отвода избытка микроволновой энергии из волновой камеры и создания вихревого потока газовой смеси при подаче ее в зону разряда.
Поставленная задача достигается тем, что детектор для газовой хроматографии содержит горизонтально расположенный волновод прямоугольного сечения с источником СВЧ-излучения, цилиндрическую разрядную камеру, ось которой проходит через одну из точек с максимальным значением напряженности СВЧ-поля волновода, а верхний и нижний участки размещены за пределами волновода, и измеритель содержания ионизированного газа в газе-носителе, выполненный в виде пары коаксиальных электродов, установленных концентрично в полости верхнего участка разрядной камеры, причем разрядная камера снабжена установленным на ее нижнем торце патрубком с соплом на верхнем конце для ввода газа-носителя с пробой, размещенным в полости ее нижнего участка, патрубком для вывода газа-носителя с пробой на верхнем торце и тангенциальным патрубком для подачи охлаждающего газа на боковой стенке ее нижнего участка.
Целесообразно волновод снабжать водоохлаждающим контуром.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 приведен график зависимости тока на измерительных электродах от количества введенного аргона.
Устройство включает цилиндрическую разрядную камеру 1, оснащенную патрубком 2 с соплом 3 на ее нижнем торце для ввода газа-носителя с пробой и тангенциальным патрубком 4 для ввода охлаждающего газа, размещенным на боковой стенке ее нижнего участка, волновод 5 с источником СВЧ-излучения 6 и охлаждающим контуром 7. При этом волновод 5 охватывает средний участок разрядной камеры 1, а ее верхний и нижний участки размещены за пределами волновода 5. Разрядная камера 1 при этом пронизывает волновод 5 таким образом, что область максимального значения напряженности электромагнитного поля 8, в которой инициируется СВЧ-разряд, располагается на оси разрядной камеры 1. В полости верхнего участка разрядной камеры 1 за пределами волновода 5 концентрично установлены два коаксиальных измерительных электрода 9 и 10, образующих измеритель содержания ионизированного газа в газе-носителе. Разрядная камера 1 снабжена также патрубком 11 для вывода газа-носителя с пробой, к которому может быть подсоединен вакуумный насос (на чертеже не показан).
Устройство работает следующим образом.
Газ-носитель с пробой подается в разрядную камеру 1 через патрубок 2, снабженный соплом 3 для формирования высокоскоростной струи газа. В камеру подается также охлаждающий газ через патрубок 4. В волновод 5 подают микроволновую энергию с помощью источника СВЧ-излучения 6, представляющего собой магнетрон. При необходимости (во избежание перегрева магнетрона) пропускают воду через охлаждающий контур 7. Инициируют образование СВЧ-разряда 8 в камере 1 при помощи внешнего высоковольтного разрядника, например, течеискателя на основе катушки Тесла. После инициирования разряда измеряют ток между внешним коаксиальным измерительным электродом 9 и внутренним коаксиальным измерительным электродом 10. В случаях, когда измеряемый ток мал, или не удается инициировать образование разряда, понижают давление в устройстве с помощью вакуумного насоса (не показан), присоединяемого к патрубку 11.
Измеряемый ток зависит от содержания ионизированного газа в газе-носителе (гелии) и является показателем содержания определяемого компонента в введенной пробе.
Размещение измерителя содержания ионизированного газа в газе-носителе концентрично в разрядной камере 1 обеспечивает максимально возможную подачу газа-носителя с пробой в пространство между электродами 9 и 10, а также повышает чувствительность измерения за счет приближения зоны анализа к области разряда.
Тангенциальный ввод охлаждающего газа обеспечивает создание вихревого потока и защиту стенок камеры 1.
Работа устройства иллюстрируется следующим примером.
В кварцевую разрядную камеру 1 устройства подают газ-носитель (гелий) с выхода колонки хроматографа с расходом 30 мл/мин и охлаждающий газ (гелий) расходом 300 мл/мин. Подают воду в охлаждающий водяной контур 7. Включают магнетрон рабочей частотой 2,45 ГГц и мощностью 800 Вт, служащий источником СВЧ-излучения 6. Инициируют СВЧ-разряд в разрядной камере 1 с помощью катушки Тесла. Подают постоянное напряжение величиной 200 В на измерительные электроды 9 и 10. Регистрируют фоновый ток на измерительных электродах, равный 0,5-0,9 мкА. С помощью газоплотного шприца вносят пробы аргона в инжектор хроматографа. Отмечают увеличение тока на измерительных электродах во время выхода пика аргона.
График зависимости тока на измерительных электродах от количества введенного аргона приведен на фиг.2. Как видно из графика, зависимость тока на измерительных электродах от количества введенного с пробой аргона близка к линейной, что позволяет осуществлять калибровку устройства по газовым смесям или чистым газам с известным содержанием определяемого компонента (в приведенном примере - аргона) и проводить измерения содержания определяемого компонента в газовых смесях с неизвестным его содержанием. Измерение содержания других компонентов в газовых смесях производится аналогично.
Конструкция устройства обладает следующими преимуществами:
1. Измерительная система компактна и проста в изготовлении, не включает громоздких и дорогостоящих спектрометрических блоков;
2. Микроволновый разрядник оснащен охлаждающим водяным контуром, который также обеспечивает отвод избыточной микроволновой энергии, что повышает надежность работы устройства;
3. Перпендикулярное расположение волновода и разрядной камеры не приводит к утечкам микроволновой энергии в окружающее пространство, а также позволяет проводить анализ компонентов газовых смесей с малым временем контакта вещества с плазмой;
4. Работа устройства не требует использования водорода, что повышает безопасность работы устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство является простым в изготовлении, не включает дорогостоящего оптического и электронного оборудования. Конструкция разрядного устройства позволяет надежно и безопасно генерировать плазму микроволнового разряда и анализировать газовые смеси. Устройство может быть дооснащено аналогово-цифровым преобразователем для вывода получаемой информации о токе на измерительных электродах на компьютер. Устройство может использоваться как составная часть газового хроматографа в качестве детектора.