ИСТОЧНИК ИОНИЗАЦИИ НА КОРОННОМ РАЗРЯДЕ

Полезная модель относится к газоразрядной технике для получения заряженных частиц (ионов) и может быть использована в качестве ионизатора при разработке газосигнализаторов для определения пороговых концентраций, спектрометров ионной подвижности (СИП), спектрометров с приращением ионной подвижности (СПИП), в масс-спектрометрии, в приборах для контроля газообразных примесей в воздухе и т.д.
63
63
В большинстве приборов газового анализа воздуха применяют традиционные источники ионизации на основе трития и Ni, являющихся источниками бета-излучения. В результате ионизации, под воздействием бета-излучения, при атмосферном давлении в области ионизации образуются электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти ионы впоследствии взаимодействуют с молекулами веществ, подлежащих обнаружению, с образованием ионных кластеров, которые регистрируются измерительной системой. Преимуществами радиоактивных источников ионизации являются их простота, стабильность, отсутствие электрических помех, не потребляют дополнительной энергии. Серьезным недостатком применения источников ионизации на основе трития и Ni является нормативные препятствия, которые связаны с требованиями безопасности при эксплуатации и проблемами по утилизации, что затрудняет применение приборов с такими источниками ионизации, сужает потребительский рынок.
Альтернативой применения радиоактивного источника ионизации в приборах для контроля газообразных примесей в воздухе может быть источник ионизации на коронном разряде. Преимуществом ионизатора на коронном разряде является возможность регулирования получения концентраций ион-реагента, что не возможно в случае применения радиоактивного источника ионизации, простота конструкции, дешевизна, отсутствие нормативных рамок на применение, эксплуатацию и утилизацию.
Наиболее часто применяются конструкции коронного разряда в виде острие-острие (патенты РФ: №2388125 C1 H01T 023/00, №2398328 C1 H01T 023/00, №2410811 C1 H01T 023/00) и барьерный коронный разряд (патенты РФ: №2078027 C1 B13/11, №2095903 C1 H10T 023/00, №2128143 C1 B13/11, №2208574 С1 B13/11, №2405226 C1 H01J 49/10, H01T 23/00).
Недостаток конструкции острие-острие заключается в том, что поверхность коронирующего острия проволоки под действием физических процессов со временем претерпевает существенные изменения (образование раковин, окисление и т.п.), в результате на поверхности образуются неоднородности, что приводит к изменению характеристик и снижению продолжительности срока службы электрода.
Наиболее подходящим по своему направлению и применению является патент РФ №2405226 С1 H01J 49/10, H01T 23/00 «Источник ионизации на основе барьерного разряда», в котором предложена конструкция ионизационной камеры, включающей индуцирующий электрод, прикрепленный к поверхности диэлектрической пластины и коронирующий электрод, расположенный напротив индуцирующего электрода, причем коронирующий электрод отделен от поверхности диэлектрической пластины газовым промежутком 10-100 мкм. К ионизационной камере подключена система подачи очищенного газа, выполненная с возможностью регулирования объемной скорости газового потока. Предложенная совокупность признаков позволяет генерировать ионы разной полярности, состав и количество которых может управляться в зависимости от напряжения и объемной скорости газового потока в ионизационной камере.
К недостаткам данного устройства можно отнести низкий ресурс барьера. Это связано с тем, что на диэлектрический слой воздействует озон, являющийся сильнейшим окислителем, а также обособленные канальные микроразряды. Такое воздействие совместно с неравномерным нагревом приводит к механическим повреждениям диэлектрика и последующему пробою (короткому замыканию) между электродами. Кроме того для включения барьерного разряда необходимо два отдельных высоковольтных источника питания постоянного и переменного напряжения.
Задачей предлагаемой полезной модели является исключить выше указанные недостатки, а также обеспечить равномерность разряда по всей длине коронирующего электрода, повысить эффективность ионизации молекул анализируемого газа за счет увеличения выноса ионов.
Для решения поставленной задачи предложен источник ионизации на основе коронного разряда, конструкция которого представлена на фигуре 1. Коронирующий электрод (1) выполнен в виде проволочной нити из тугоплавкого метала (вольфрам, вольфрам-сталь и т.д.) диаметром от 20 мкм до 100 мкм протянутой внутри проволочной спирали выполненной из нержавеющей стали (2). Электроды смонтированы на подложке (3) с помощью керамических изоляторов (4). В качестве материала подложки могут быть использованы как полимерные материалы (капролон, полиамид, фторопласт и т.п.), так и керамика. С целью исключения рекомбинации ионов в конструкции подложки предусмотрен штуцер для подключения к побудителю расхода воздуха. Коронирующий и внешний электроды подключены к выходу высоковольтного источника питания (плюсу и минусу соответственно) через высокоомные резисторы.
Суть полезной модели заключается в том, что предложенный источник ионизации на коронном разряде позволяет генерировать ионы, состав и количество которых может управляться в зависимости от приложенного напряжения питания и объемной скорости газового потока. С помощью предлагаемого источника ионизации на основе коронного заряда появляется возможность обнаружения химических веществ в газосигнализаторах на основе интегральных ионизационных преобразователей концентрации, в спектрометрах ионной подвижности, в спектрометрах с приращением ионной подвижности, масс-спектрометрах и т.д.
Схема включения источника ионизации на коронном разряде для интегрального ионизационного преобразователя концентрации представлена на фигуре 2, в состав которой входит источник высокого напряжения 5 подключенный через резисторы к коронирующему (плюс) и внешнему (минус) электродам, коллектор 6 выполненный в виде полого цилиндра подключенный к электрометрическому усилителю 7.
При подаче высокого напряжения между электродами 1 и 2 (фиг.1) возникает коронный разряд, главной особенностью которого являются ионизационные процессы происходящие вблизи электрода 1 с малым радиусом кривизны (коронирующего электрода). Для коронного разряда характерны две зоны: первая с более высокими значениями напряженности поля, в которой происходит активное образование как положительных, так и отрицательных ионов газа, а также лавин электронов, и вторая, в которой под действием электрического поля происходит движение образовавшихся ионов во внешнюю область. Чтобы обеспечить равномерность разряда по всей длине коронирующего электрода, внешний электрод выполнен в виде спирали. Такое исполнение внешнего электрода позволяет использовать его не только как катод, но и как «сетку». При электрическом соединении внешнего электрода через высокомный резистор к минусу источника высокого напряжения появляется возможность регулировать поток ионов во внешнюю область. При этом, чем больше значение номинала резистора (например 100 МОм, 200 МОм, 500 МОм, 1,0 ГОм), тем меньшее количество образовавшихся ионов будут притягиваться к «сетке», отдавая свой заряд, и тем большее их количество попадет во внешнюю область, образуя объемный заряд.
На фигуре 3 представлено изменение сигнала интегрального ионизационного преобразователя концентрации на коронном разряде включенного по схеме представленной на фигуре 2 при воздействии:
-5
1 - диэтилмалоната в концентрации 8·10 мг/л,
2 - бензина (насыщенные пары),
3 - дизельное топливо (насыщенные пары),
4 - этиловый спирт (насыщенные пары),
5 - аммиак (насыщенные пары).