УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
APPARATUS FOR SIMULTANEOUS SEPARATION OF POSITIVE AND NEGATIVE IONS

Изобретение относится к газовому анализу и может быть использовано для решения задач разделения положительных и отрицательных ионов в газах, например ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе.
Известно устройство для одновременного разделения положительных и отрицательных ионов, включающее заполненную газом полость, ограниченную системой электродов, источники напряжения, подключенные к системе электродов и обеспечивающие внутри полости однородное электрическое поле, два затвора в середине полости, расположенные перпендикулярно оси полости и на некотором расстоянии друг от друга, два источника импульсного напряжения, подключенные к затворам, причем первый источник обеспечивает импульсный ввод положительных ионов в одну половину полости, а второй - отрицательных ионов во вторую половину полости [патенты США: №4445038, 24.04.1984; №7259369, 21.08.2007].
Основным недостатком этого технического решения является неэффективное использование ионов, поскольку на разделение попадает лишь часть ионов, инжектируемых импульсом ввода из непрерывного потока. Следствием этого является низкая чувствительность и высокий предел обнаружения аналитических устройств, в которых используются данные технические решения.
Известны устройства для одновременного разделения положительных и отрицательных ионов, включающие два плоскопараллельных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и образующих полость, продуваемую потоком дрейфового газа, содержащего смесь этих ионов, источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения и переменного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам [патенты США: №7005632, 28.02.2006; №7129482, 31.10.2006; №7339164, 04.03.2008; №7619214, 17.11.2009].
Основным недостатком этих технических решений является высокая степень рекомбинации ионов на электродах, обусловленной диффузионным расплыванием. Как следствие, низкая чувствительность и высокий предел обнаружения аналитического устройства.
Этого недостатка лишено известное устройство разделения либо положительных, либо отрицательных ионов, включающее два коаксиальных цилиндрических электрода разного диаметра, между которыми образована полость кольцевого сечения, продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь указанных ионов, источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения и переменного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам [патент РФ №2293977, опубл. 20.02.2007].
Известно также устройство разделения либо положительных, либо отрицательных ионов, включающее два коаксиальных цилиндрических электрода разного диаметра с концентрическими сферическими окончаниями, между которыми образована полость, продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь указанных ионов, источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения и переменного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам [патент США №6504149, 07.01.2003].
Основным недостатком этих технических решений является невозможность одновременной регистрации положительных и отрицательных ионов. Результатом этого является ограниченный перечень одновременно разделяемых ионов веществ и малые селективность и специфичность анализа, так как некоторые вещества могут образовывать как положительные, так и отрицательные ионы.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство разделения либо положительных, либо отрицательных ионов, включающее два коаксиально расположенных внутреннего и внешнего электродов, между которыми образована полость, продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь указанных ионов, источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения и переменного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам [патент РФ №2265832, опубл. 10.12.2005].
Основным недостатком этого технического решения является невозможность одновременной регистрации положительных и отрицательных ионов. И как было указано выше, результатом этого является ограниченный перечень одновременно разделяемых ионов веществ и малые селективность и специфичность анализа.
Этот недостаток обусловлен тем, что при использовании коаксиальных цилиндрических или концентрических сферических электродов внутри полости образуется электрическое поле, имеющее пространственный градиент. В таком поле, например, отрицательные ионы, подвижность которых увеличивается с увеличением напряженности электрического поля, фокусируются и транспортируются в потоке дрейфового газа на регистрацию, в то время как положительные ионы, подвижность которых также увеличивается с увеличением напряженности электрического поля, дефокусируются и рекомбинируют на электродах. Все это приводит к тому, что невозможно одновременно (в одной пробе) осуществлять обнаружение, например, микропримесей взрывчатых веществ, которые могут образовывать как отрицательные ионы (2,4,6-тринитротолуол, гексоген), так и положительные (триацетон трипероксид, гексаметилен трипероксид диамин). Для регистрации ионов разных знаков необходимо переключать полярность несимметричного напряжения.
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства для одновременного разделения положительных и отрицательных ионов.
Указанная техническая задача решается тем, что в устройство для разделения положительных и отрицательных ионов, включающее два коаксиально и/или концентрически расположенных электрода, между которыми образована полость, продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь указанных ионов, источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения и переменного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам, согласно изобретению дополнительно введен коаксиально и/или концентрически расположенный электрод, образующий с одним из электродов дополнительную полость, которая продувается потоком дрейфового газа, содержащего смесь указанных ионов, причем источник переменного периодического несимметричного по полярности напряжения подключен к электроду, расположенному между двумя другими электродами.
Дополнительно введен источник медленно меняющегося компенсирующего напряжения, подключенный к указанному электроду.
Электроды представляют собой тела вращения или их сегменты.
Расположение электродов и подключение к ним источников напряжений осуществляют таким образом, что в первой полости создаются условия для эффективного разделения и транспортировки на регистрацию ионов одного знака, в то время как ионы другого знака диффундируют на электроды, во второй полости - наоборот.
Преимущества настоящего изобретения будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
на фиг.1 приведен один из вариантов реализации предлагаемого устройства;
на фиг.2 показаны положительный и отрицательный спектры паров метафоса в воздухе, зарегистрированные одновременно.
Устройство для одновременного разделения положительных и отрицательных ионов содержит цилиндрические электроды 1, 2, 3, расположеные коаксиально относительно оси симметрии и образующие полости 4 и 5, продуваемые потоком дрейфового газа, источник переменного периодического несимметричного по полярности напряжения 6, подключенный к центральному электроду 2, источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения 7 и 8, подключенные соответственно к внешнему 1 и внутреннему 3 электродам. Другими примерами геометрии электродов могут быть концентрически расположенные сферы, коаксиально расположенные цилиндрические электроды с полусферическими окончаниями, расположенными относительно друг друга концентрически, и любые другие электроды, изготовленные, например, в виде тел вращения или их сегментов, расположенные коаксиально и/или концентрически относительно друг друга. Кроме того, для разделения ионов может быть использован либо один источник медленно меняющегося компенсирующего напряжения, подключенный к центральному электроду 2, либо два таких источника, подключенных к любым двум электродам.
Ионы разных типов отличаются друг от друга по знаку заряда (положительные или отрицательные), типу зависимости подвижности от напряженности электрического поля (увеличение или уменьшение подвижности с увеличение поля) и степени зависимости подвижности от напряженности поля. При подаче разности потенциалов на непланарные коаксиально и/или концентрически расположенные противолежащие электроды (например, цилиндрические, сферические, конические и т.п.), между которыми образована полость, внутри полости возникает электрическое поле, имеющее пространственный градиент. При действии суперпозиции электрических полей (медленно меняющегося и переменного периодического несимметричного по полярности), имеющих пространственный градиент, ионы разных типов, с определенным знаком заряда и определенным типом зависимости подвижности, будут разделяться по степени зависимости подвижности от напряженности поля и фокусироваться в тех областях пространства, где воздействие указанной суперпозиции полей для данных типов ионов компенсируется. Медленное изменение компенсирующего напряжения позволяет в потоке дрейфового газа транспортировать на регистрацию последовательно, согласно изменению степени зависимости подвижности, все типы ионов с определенным знаком заряда и определенным типом зависимости. Ионы другого знака, подвижность которых с увеличением поля уменьшается, также будут разделяться и фокусироваться, в то время как ионы другого знака, подвижность которых с увеличением поля увеличивается, и ионы того же знака, подвижность которых с увеличением поля уменьшается, будут дефокусироваться и рекомбинировать на электродах. Регистрация таких ионов возможна лишь при изменении полярности переменного периодического несимметричного напряжения.
Как следует из вышесказанного, для того чтобы разделять все типы ионов одновременно необходимо образовать еще одну полость, в которой полярность переменного периодического несимметричного поля была бы противоположной полярности поля в первой полости. Это можно реализовать при введении в устройство дополнительного коаксиального и/или концентрического электрода. На фиг.1 показан один из вариантов такого устройства, содержащего три коаксиальных цилиндрических электрода 1, 2 и 3, образующих полости 4 и 5, продуваемые потоком дрейфового газа, источник переменного периодического несимметричного по полярности напряжения 6, подключенный к центральному электроду 2, и источники медленно меняющегося компенсирующего напряжения 7 и 8, подключенные соответственно к электродам 1 и 3. Для упрощения на фигуре изображены траектории ионов разных знаков, но с одинаковым типом зависимости подвижности от напряженности поля. В полости 4 разделяются и фокусируются положительные ионы, подвижность которых с увеличением поля увеличивается, а подобные отрицательные ионы дефокусируются. В полости 5 наоборот, отрицательные ионы, подвижность которых с увеличением поля увеличивается, разделяются и фокусируются, а подобные положительные ионы дефокусируются. Медленное изменение компенсирующих напряжений источников 7 и 8 позволяет в потоке дрейфового газа последовательно транспортировать на регистрацию из полости 4 все типы положительных ионов, а из полости 5 все типы отрицательных.
Одновременное разделение положительных и отрицательных ионов позволяет расширить перечень регистрируемых веществ, кроме того, повысить селективность и специфичность анализа. На фиг.2 приведены положительный и отрицательный спектры паров метафоса в воздухе, зарегистрированные одновременно. Как видно из фигуры, в обоих спектрах наблюдаются ионные пики этого вещества, что существенно повышает селективность и специфичность анализа.
Реализация предлагаемого технического решения представляет собой простую техническую задачу. Для этого необходимо ввести в устройство-прототип дополнительный электрод и организовать из сформированной полости транспортировку ионов на регистрацию.