ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР
PHOTOIONISATION DETECTOR

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может найти применение при контроле примесей веществ в газах, в частности в воздухе.
Известен фотоионизационный детектор (ФИД), содержащий ультрафиолетовую (УФ) лампу, имеющую окно для вывода излучения, проточную ионизационную камеру, размещенную напротив окна лампы, каналы для подвода и вывода анализируемого газа в ионизационную камеру, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в объеме ионизационной камеры (см. Авт. Свид. СССР №1444659, МПК G01 №27/62, 1987 г.).
Недостатком известного детектора является то, что при наличии в анализируемом газе паров воды, последняя конденсируется на поверхности окна УФ-лампы, уменьшая его пропускную способность, и тем самым снижает чувствительность детектора. Особенно сильно этот эффект сказывается при анализе атмосферного воздуха, в котором относительная влажность может составлять десятки процентов.
Пары воды конденсируются также на электродах, что изменяет работу выхода электронов при воздействии на них УФ-излучения, что в свою очередь приводит к изменению фонового тока ФИД. Изменение фонового тока вносит дополнительную погрешность в показания прибора, особенно существенную при измерении малых концентраций примесей в воздухе. Конденсация паров на поверхностях изоляторов способствует появлению токов утечки, что также неблагоприятно сказывается на работе детектора. Эти недостатки в той или иной мере присущи всем известным ФИД, используемым в газоанализаторах. Особенно страдают детекторы переносных приборов, на элементах которых может происходить конденсация из-за разных температурных условий, например, при внесении прибора зимой с открытого воздуха в теплое помещение.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому детектору является ФИД по патенту РФ №2256255, МПК G01 №27/62, 2005 г.
Недостатком известного решения является сложность изготовления детектора, обусловленная в основном сложностью изготовления лампы
В этом детекторе предприняты меры по уменьшению токов утечки, однако наличие паров воды в анализируемом газе также приводит к описанным выше отрицательным явлениям, связанным с конденсацией паров воды на поверхности окна лампы и электродах.
Задача изобретения состояла в том, чтобы упростить технологию изготовления детектора.
Указанная задача решается тем, что предложен ФИД, содержащий УФ-лампу, имеющую окно для вывода УФ-излучения, проточную ионизационную камеру, установленную против окна для вывода УФ-излучения, поляризующий и коллекторный электроды, установленные внутри ионизационной камеры, в котором согласно изобретению нагреватель установлен внутри ионизационной камеры перед окном для вывода УФ-излучения с зазором по отношению к внешней поверхности окна.
В предпочтительном варианте выполнения зазор между нагревателем и окном составляет от 0,1 до 2,0 мм.
Еще одним отличием детектора является то, что нагреватель выполнен в виде слоя из электропроводного материала, нанесенного на кольцевую подложку из керамического материала, охватывающую концы электродов, установленные с зазором по отношению к внешней поверхности окна для вывода УФ-излучения, причем слой из электропроводного материала снабжен контактами для подвода электрического напряжения.
Еще одним отличием детектора является то, что кольцевая керамическая подложка установлена на торцевой поверхности цилиндрической втулки из электроизоляционного материала, внутри которой проходят стержневые электроды.
Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления ФИД.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На рис.1 изображен вид ФИД частично схематично и частично в разрезе. При этом ионизационная камера детектора представлена в продольном разрезе.
На рис.2 представлен вид детектора в продольном разрезе под углом 180° к плоскости изображения на рис.1.
Детектор содержит УФ-лампу 1 с окном 2 для вывода излучения. На корпусе лампы 1 со стороны окна 2 закреплен металлический цилиндрический цоколь 3, который соединен частью своей внутренней поверхности с внешней поверхностью лампы 1 с помощью слоя 4 клея, например, эпоксидного компаунда.
В средней части цоколя 3 имеется внутренний кольцевой выступ 5, одна поверхность которого плотно прижата к краям окна 2 для вывода УФ-излучения из УФ-лампы 1, а другая поверхность выступа 5 контактирует с торцевой поверхностью втулки 6 из электроизоляционного материала. В качестве материала втулки 6 использован эластичный полимерный материал, предпочтительно фторопласт. На внутренней поверхности цоколя 3 выполнена резьба, таким образом, что втулка 6 ввинчивается в полость цоколя 3 и своим торцом прижимается к поверхности кольцевого выступа 5, имеющего заостренную кромку 7. Пространство между внешней поверхностью окна 2 и внутренней поверхностью втулки 6 образует объем 8 ионизационной камеры, в котором установлены электроды 9 и 10, один из которых служит в качестве поляризующего электрода, а другой - в качестве коллекторного электрода. Электроды 9 и 10 выполнены в виде тонких стержней, внешняя поверхность которых, за исключением концевых частей 11, установленных с минимальным зазором по отношению к окну 2 лампы 1, покрыта слоем электроизоляционного материала, например фторопласта. В теле втулки 6 выполнены канал 12 для подвода анализируемого газа (воздуха), соединенный с объемом 8 ионизационной камеры, и канал 13 для вывода анализируемого газа из объема 8 ионизационной камеры.
Каналы 12 и 13 соединены с соответствующими патрубками 14 и 15 для подвода и вывода анализируемого газа.
Электроды 9 и 10 соединены с соответствующими кабелями 16 и 17, один из которых (16) соединен с источником питания (на рис.1 не показан), а второй (17) соединен с электрометрическим усилителем (на рис.1 не показан).
На торцевой поверхности втулки 6, обращенной к окну 2 лампы 1, закреплен нагреватель 18, выполненный в виде кольцевой керамической подложки, на поверхность которой нанесен тонкий резистивный слой электропроводного материала 19 (меди, серебра и т.п.). Этот слой снабжен контактами (на рис. не показаны) для подвода электрического напряжения от источника питания нагревателя (на рис. не показан).
Таким образом нагреватель максимально приближен к внешней поверхности окна 2 лампы 1 и охватывает концевые части 11 электродов 9 и 10. Расстояние от нагревателя 18 до окна 2 выбирают в пределах от 0,1 до 2 мм.
Детектор работает следующим образом. Поток анализируемого газа (воздуха) по патрубку 14 и каналу 12 поступает во внутренний объем 8 ионизационной камеры. Испускаемое лампой 1 через окно 2 УФ-излучение попадает во внутренний объем 8 ионизационной камеры и производит ионизацию веществ, содержащихся в анализируемом газе (воздухе), имеющих энергию ионизации меньше энергии квантов излучения. Образовавшиеся при этом электроны и ионы, двигаясь в электрическом поле, между электродами 9 и 10 формируют токовый сигнал, пропорциональный концентрации измеряемых ионизуемых компонентов. Одновременно к резистивному слою 19 нагревателя 18 подводится ток от источника питания нагревателя. Мощность, развиваемая нагревателем, составляет 0,3-0,5 Вт. Тепловой поток от нагревателя направлен на окно лампы, расположенное на расстоянии, меньшем 0,1-2,0 мм, от нагревателя. За счет этого теплового потока окно нагревается до температуры, превышающей на 15-20°С температуру других частей детектора. Если в детектор подается окружающий воздух, температура окна лампы также превышает его температуру на 15-20°С. Благодаря этому исключается конденсация водяного пара, содержащегося в воздухе, на окне лампы и появление пленки воды. Одновременно происходит нагрев концевых частей 11 электродов 9 и 10 и прилегающей изоляции, что обеспечивает стабильность работы выхода электронов, постоянство фонового тока и отсутствие утечек. Все это в совокупности существенно уменьшает влияние водяных паров, содержащихся в газе (воздухе), на показания детектора.
Расположение нагревателя внутри ионизационной камеры против окна, на небольшом расстоянии от последнего, обеспечивает передачу большей части тепла, выделяемого нагревателем, на окно, уменьшая неэффективное рассеяние энергии. Это обстоятельство повышает эффективность работы нагревателя и минимизирует потери энергии, что очень важно для переносных газоанализаторов с ФИД, в котором питание осуществляется от аккумулятора.