ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С ЛАМИНАРНЫМ ПОТОКОМ
DIFFERENTIAL ION MOBILITY SPECTROMETER WITH A LAMINAR FLOW

Область техники
Настоящее изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосфере воздуха.
Предшествующий уровень техники
Известен спектрометр ионной подвижности (патент US 5420424, опубл. 30.05.1995) с цилиндрической дрейфовой камерой. В предложенном техническом решении ионы целевого вещества ионизируются в камере ионизации, а затем поступают в аналитический зазор поперек тока газа-носителя, движущегося в продольном направлении вдоль аналитического канала. В конце дрейфовой камеры ионы, для которых подвижность соответствует компенсирующему напряжению, вытягиваются электрическим полем через отверстия во внешнем электроде в поперечном направлении и регистрируются электрометром. Таким образом, при движении потока газа, содержащего ионы целевого вещества, от входа спектрометра до выхода имеет место резкое изменение направления движения газового потока, что ведет к возникновению турбулентности, и неизбежно к потере ионов и снижению чувствительности спектрометра.
Аналогичными недостатками обладает и схема движения ионов и газа-носителя предложенная в патенте US 6831271 В1 (опубл. 14.12.2014). В предложенном техническом решении спектрометра ионизированные ионы анализируемого вещества поступают в поток газа-носителя поперек его движения. Затем, достигнув конца аналитического зазора, выделенные ионы вытягиваются на электрод электрометра в поперечном направлении. Такое изменение направления движения ведет к возникновению турбулентности и потерям ионов.
В патенте US 7026612 В2 (опубл. 11.04.2006) цилиндрические электроды на конце имеют куполообразную форму с постоянным зазором между ними. В результате получается осесимметричный выход ионов целевого вещества из аналитического зазора, обеспечивающий ламинарное течение газового потока на выходе. Однако ввод ионизированной пробы организован поперек потока газа-носителя.
В патенте US 20070284519 А1 (опубл. 13.12.2007) организован осесимметричный ввод ионизированной пробы в зазор между цилиндрическими электродами. Внутренний электрод имеет обтекатель в виде полусферической заглушки. Тем самым обеспечивается ламинарный ввод ионизированного целевого вещества в аналитический канал прибора. В предложенном решении вывод анализируемых ионов на выходе из прибора осуществляется в поперечном направлении, что ведет к возникновению турбулентности и потере ионов.
В качестве прототипа выбран дифференциальный спектрометр ионной подвижности, представленный в патенте RU 2503083 С1 (опубл. 27.12.2013). Спектрометр имеет цилиндрическую дрейфовую камеру, в которой происходит выделение ионов целевого вещества. Недостатком этого спектрометра является то, что ввод ионизированной пробы в дрейфовую камеру и вывод анализируемых ионов происходит поперек потока газа-носителя. В итоге возникают нарушения ламинарного течения газа, содержащего ионы целевого вещества, их потеря на электродах и снижение чувствительности.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности дифференциального спектрометра ионной подвижности.
Технический результат настоящего изобретения заключается в снижении порога обнаружения целевого вещества.
Указанный технический результат достигается тем, что перенос ионов в аналитическом канале прибора происходит практически без потерь за счет ламинарного потока газа-носителя.
В принятом за прототип варианте DIMS ионы определенного знака, содержащиеся в ионизованной пробе входящего в прибор воздуха, вводятся в аналитический канал через поперечный кольцевой разрез на входе канала под действием электростатического поля выталкивающего электрода. Выводятся ионы из канала на электрометр через второй поперечный кольцевой разрез в конце канала потоком газа-носителя. Течение газовых потоков в конструкциях с боковыми поворотами неизбежно сопровождается возникновением турбулентности, которая в свою очередь приводит к катастрофическим потерям ионов за счет их разрядки на стенках аналитического тракта.
Отличием предлагаемой конструкции дифференциального спектрометра ионной подвижности с ламинарным потоком (L-DIMS) от прототипа является не ортогональный, а осевой ввод и вывод ионов в/из аналитического канала, что достигается продольным движением газовых потоков, сохраняющих ламинарный характер течения вдоль всего аналитического канала, обладающего осевой симметрией по всей длине.
В предлагаемой конструкции DIMS ввод ионов в канал осуществляется газовым потоком, протекающим в продольном направлении без нарушения ламинарности. При этом ионизация анализируемого воздуха происходит непосредственно перед входом в канал, там, где установилось ламинарное течение. Продольный ввод ионов в ламинарном газовом потоке практически исключает потери ионов при входе в аналитический канал, в отличие от случая ортогонального ввода ионов через боковую апертуру, где неизбежно имеют место потери ионов в результате возникновения турбулентностей.
Вывод ионов из канала осуществляется в продольном направлении вдоль оси прибора за счет ламинарного потока газа-носителя и действия тянущего электрического поля, создаваемого подачей требуемых потенциалов на кольцевые электроды и экранирующую апертурную сетку электрометра.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Конструкция дифференциального спектрометра ионной подвижности с ламинарным потоком L-DIMS.
rf
c
Фиг. 2. Профили распределения концентрации ионов ацетона при накоплении в канале L-DIMS с ионной ловушкой, создаваемой потенциалом на запирающем кольцевом электроде. Накопленный заряд показан в моменты времени 50 и 500 мс после подачи запирающего потенциала. Размах ассиметричного разделяющего напряжения U=2,0 кВ, значение компенсирующего напряжения U=-16,7 В, частота разделяющего напряжения f=0,5 МГц, разность потенциалов между внешним электродом DIMS и блокирующим электродом 25 В.
rf
c
Фиг. 3. Эволюция распределения концентрации ионов ацетона при сбросе накопленного в ловушке пространственного заряда в моменты времени 501, 505, 510, 550, 575 и 600 мс после выключения запирающего потенциала. Размах ассиметричного разделяющего напряжения U=2,0 кВ, значение компенсирующего напряжения U=-16,7 В, частота разделяющего напряжения f=0,5 МГц. Потенциал электродов DIMS 70 В, блокирующего электрода 45 В, фокусирующих электродов 35 В, 25 В, 15 В, апертурной сетки 5 В, электрода электрометра 0 В.
ion
Фиг. 4. Временная зависимость тока разрядки ионной ловушки I(t), в L-DIMS, соответствующая данным численного моделирования, представленного на фиг. 3.
ion
ion
c
-14
3
Фиг. 5. Экспериментальная зависимость ионного тока разрядки ионной ловушки I(t), в L-DIMS. Целевое вещество - ацетон. Исходная концентрация целевого вещества в пробе ~10 г/см, соответствующая пределу чувствительности прибора в режиме измерения ионограмм I(U). Отсчет времени от момента выключения запирающего потенциала.
Варианты осуществления изобретения
63
Дифференциальный спектрометр ионной подвижности с ламинарным потоком (фиг. 1) состоит из цилиндрического корпуса (4), внешнего (6) и внутреннего (7) цилиндрических электродов, расположенных концентрически относительно корпуса (4), и образующих аналитический канал спектрометра (5), диэлектрического цилиндра (8), изолирующего внешний цилиндрический электрод (6) от корпуса (4), источника ионизации (10), расположенного на входе в аналитический канал (5), в качестве источника ионизации можно использовать радиоактивный β-источник (тритий или радиоактивный изотоп никеля Ni), электронный ионизатор, например, коронный разряд, от кольца с иглами, подключенного к генератору переменного высоковольтного напряжения, ионизатор на барьерном поверхностном разряде, любой известный источник ультрафиолетового излучения, термо/электроспрей, вводимый через входной штуцер (1); входной камеры (3), штуцера (1) для ввода пробы исследуемой газовой фазы, штуцеров (2) для ввода чистого газа носителя, обтекателя (9), установленного на входе в аналитический канал (5) и изолированного от внутреннего цилиндрического электрода (7) диэлектрической вставкой (17); выходного штуцера (11), апертурной сетки (12), электрода (13) электрометра, кольцевого блокирующего электрода (14), двух или более фокусирующих электродов (15) и (16).
Спектрометр работает следующим образом.
rf
c
Проба исследуемой газовой фазы подается в штуцер (1), расположенный на продольной оси спектрометра. В штуцеры (2) подается чистый газ-носитель для транспорта ионов через аналитический канал. Во входной камере (3), образованной цилиндрическим корпусом (4) прибора, происходит разбавление пробы чистым газом, степень которого задается потоками пробы и газа-носителя. Здесь происходит перемешивание поступающих потоков и создается избыточное давление, за счет которого газовая смесь поступает в аналитический канал (5). Внешний цилиндр (7) изолирован от корпуса (4) диэлектрическим цилиндром (8), что позволяет подавать на него электрический потенциал относительно корпуса (4), находящегося под нулевым потенциалом. На внутренний цилиндр (7) с генератора ассиметричного напряжения (ГАН) подается высокочастотное высоковольтное разделяющее напряжение U и компенсирующее напряжение U, обеспечивающее прохождение вдоль канала определенного типа ионов. Кроме того, на внешний и внутренний цилиндры может быть дополнительно подан общий постоянный потенциал относительно корпуса (4).
Для обеспечения ламинарного течения в канале перед входом в канал ставится обтекатель (9). Опционально на обтекатель (9) может подаваться потенциал, создающий электростатическое поле, способствующее вводу ионов в канал (5).
Кольцевой ионизатор (10), симметричный относительно продольной оси прибора, ставится непосредственно перед входом в канал на том участке, где уже установился ламинарный характер течения газа.
В качестве ионизатора могут использоваться радиоактивные источники (тритий, никель-63), коронный разряд от кольца с иглами или ионизатор на поверхностном барьерном разряде. При исследовании жидкой фазы ее подача осуществляется методом термо/электроспрея через входной осевой штуцер (1).
Образующиеся в результате воздействия ионизатора (10) ионы вносятся в канал потоком газа и фокусируются в суперпозиции разделяющего и компенсирующего полей. Ионы определенного типа при соответствующем значении компенсирующего напряжения переносятся ламинарным потоком газа-носителя без потерь. Продольный выход газа из канала и сохранение осевой симметрии прибора позволяют сохранить ламинарное течение до выхода газа-носителя через выходной штуцер (11).
Для накопления ионов в канале и последующего сброса накопленного заряда из канала в конструкции прибора предназначен кольцевой блокирующий электрод (14), на который подается запирающее напряжение. Напряжения удержания и сброса ионов зависят от подвижности накапливаемых ионов и подбираются так, чтобы минимизировать потери ионов как в процессе накопления, так в процессе сброса ионов из канала. Следует отметить, что при этом обеспечивается селективное накопление ионов искомого целевого вещества в канале с последующей разрядкой накопленного заряда выделенного типа ионов через электрометр.
Для предотвращения потерь ионов за пределами канала дополнительно вводятся два (15)-(16) или более кольцевых электрода для фокусировки ионов вдоль оси прибора на участке от выхода из канала до измерительного электрода электрометра.
Ионы, вынесенные из канала ламинарным газовым потоком, собираются измерительным электродом (13) электрометра. Апертурная сетка (12), на которую подается притягивающий для ионов потенциал, предназначена для экранировки измерительного электрода электрометра (13).
В случае, когда концентрация целевых веществ превышает порог обнаружения дифференциального спектрометра ионной подвижности, используется режим, при котором отсутствует запирающее напряжение на блокирующем электроде (14). В этом случае ионограмма измеряется при сканировании компенсирующего напряжения Uc и определяются значения компенсирующего напряжения, соответствующие положению пиков целевых веществ на ионограмме.
ion
c
Если концентрация целевого вещества в пробе ниже порога обнаружения, используется селективное накопление ионов целевого вещества при подаче на блокирующий электрод (14) запирающего напряжения. При этом значение компенсирующего напряжения, соответствующего искомому целевому веществу, определяется предварительно с использованием репера этого вещества по обычной ионограмме I(U).
Накопление ионов целевого вещества в выходной части аналитического канала происходит за счет непрерывного поступления в канал газа-носителя с ионами целевого вещества до момента, когда начинается интенсивная разрядка ионов в результате расширения облака пространственного заряда, обусловленного кулоновским взаимодействием. При этом появляется ток утечки через потенциальный барьер, созданный потенциалом блокирующего электрода. При заданном значении тока утечки запирающий потенциал с блокирующего электрода снимается, и накопившиеся ионы под действием ламинарного газового потока и тянущего электрического поля, созданного потенциалами фокусирующих электродов и апертурной сетки, движутся к электроду электрометра. Измерение временной зависимости тока, протекающего через электрометр после снятия запирающего потенциала с блокирующего электрода, позволяет определить заряд ионов целевого вещества и рассчитать концентрацию целевого вещества в газовой фазе.
Реализуемость предложенной идеи изобретения подтверждается численными расчетами кинетики накопления и разрядки ионов.
На фиг. 2, 3 показаны расчетные профили распределения концентраций ионов ацетона в процессе накопления заряда в ионной ловушке и при его сбросе, после выключения запирающего потенциала на блокирующем электроде.
ion
ion
ion
c
c
Показанный на фиг. 3 выброс заряда и обеспечивает достижение положительного эффекта - повышение селективной чувствительности прибора за счет превышения нестационарным током разрядки ионной ловушки стационарного тока, определяемого исходной концентрацией ионов целевого вещества в пробе. Масштаб эффекта иллюстрируется соотношением токов в максимуме и на стационарном участке временной зависимости ионного тока I(s), представленной на фиг. 4. Отметим, что стационарное значение тока на временной зависимости I(t), соответствует максимуму тока для пика этого целевого вещества на штатной ионограмме I(U), измеряемой в квазистационарном режиме сканирования по U.
Промышленная применимость
Дифференциальный спектрометр ионной подвижности с ламинарным потоком применим для обнаружения в воздухе следов взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ, мониторинга промышленных загрязнений в атмосфере, контроле пищевых продуктов по выделяемым испарениям, медицинской диагностике по составу выдыхаемого воздуха.
Современные методы, технологии и материалы создают реальную возможность осуществления вышеописанного дифференциального спектрометра ионной подвижности с ламинарным потоком. Все конструктивные элементы спектрометра могут быть произведены с помощью уже используемого оборудования на действующих заводах.