СПОСОБ ПОДЖИГА КОРОННОГО РАЗРЯДА В ИОННОМ ИСТОЧНИКЕ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
METHOD OF IGNITING CORONA DISCHARGE IN ION SOURCE OF ION MOBILITY SPECTROMETER

Изобретение относится к спектрометрии ионной подвижности, широко применяемой в приборах для контроля газообразных примесей в воздухе и, в частности, для обнаружения сверхмалых концентраций взрывчатых и наркотических веществ.
Спектрометрия ионной подвижности является методом обнаружения и идентификации паров химических соединений, основанным на разделении ионов по критерию подвижности в слабом электрическом поле в газовой среде при атмосферном давлении. Общепринятая схема прибора (фиг.1) включает следующие компоненты: камеру ионизации, в которую вводится проба, подвергающаяся ионизации; затвор для формирования ионных сгустков; камеру дрейфа, в которой происходит разделение ионов по подвижностям при движении в постоянном электрическом поле; детектирующий узел, в котором проводится измерение тока ионов; систему обработки и хранения данных.
Из ионов, образовавшихся в камере ионизации, с использованием затвора формируется сгусток, который инжектируется в камеру дрейфа, и под действием постоянного электрического поля движется в направлении коллектора. Ионы с разной подвижностью достигают коллектора в разное время, при этом временная структура тока коллектора отражает скорость прохождения ионами дрейфовой области. Получаемый таким образом спектр распределения ионов по подвижностям позволяет оперативно и с высокой точностью выявлять и идентифицировать химические вещества, содержащиеся в газообразной пробе.
Для ионизации проб воздуха в спектрометрах ионной подвижности используется радиоактивное излучение, коронный разряд, излучение лазера, ультрафиолетовое или рентгеновское излучение. Источник ионизации может работать в непрерывном или импульсном режиме.
Источник ионизации является важной частью системы, отвечающей за стабильность работы, разрешающую способность и чувствительность спектрометра ионной подвижности. При работе источника ионизации в импульсном режиме (импульсный коронный разряд, импульс лазера) временная структура ионизации обуславливает формирование ионных сгустков, что в ряде случаев не требует использования затвора.
На фиг.2 приведена конструкция камеры ионизации с использованием коронного разряда. Камера ионизации состоит из импульсного источника коронного разряда [1], поджигающих электродов [2], высоковольтного импульсного генератора [3], сетки [4] (затвора) между камерами ионизации и дрейфа, дополнительной сетки [5], реакционной области (области ионизации) [6], патрубков [7] и [8] для ввода и вывода потока пробы анализируемого воздуха, соответственно, импульсного генератора [9] электрического поля в области ионизации, задающего потенциал на дополнительной сетке [5].
При формировании коронного разряда происходят следующие физические процессы. В атмосферном воздухе ионного источника всегда есть некоторое число «фоновых» ионов и электронов, вызванных естественной радиацией. При подаче напряжения между остриями разрядных электродов, имеющих малый радиус кривизны, электрическое поле может превысить уровень пробоя. При этом при наличии первичных «фоновых» носителей заряда быстро развивается лавинный процесс вторичной ионизации, приводящий к электрическому разряду, сопровождающемуся высоким уровнем ионизации газа в области разряда.
Процесс ионизации молекул детектируемого вещества носит многоступенчатый характер. Вначале происходит образование так называемых реактант-ионов за счет ионизации молекул основных компонентов воздуха. Далее, через последовательность ионно-молекулярных взаимодействий, химической ионизации при атмосферном давлении реактант-ионы передают свой заряд молекулам примесей, в частности молекулам детектируемых веществ.
Известен спектрометр ионной подвижности, описанный в полезной модели «Патент на полезную модель №63119, Спектрометр ионной подвижности, 31 мая 2006 г.». Недостатком предлагаемого в патенте способа ионизации является то, что поджигающие электроды источника коронного разряда в приборе находятся в области большого электрического поля камеры ионизации. Поэтому фоновые (возникающие за счет действия космического излучения, флюоресценции, локальных флюктуации, температуры) носители заряда естественного происхождения, которые инициируют возникновение разряда, постоянно уносятся из области между остриями коронного источника, что затрудняет поджиг короны. Последнее выражается в нестабильности разряда и необходимости увеличения длительности и амплитуды импульса напряжения поджига. Нестабильность разряда вызывает разброс заряда ионов в сгустке и нестабильность спектра, что приводит к увеличению вероятности ложных срабатываний. Для стабилизации результатов требуется усреднение спектра по большим временным интервалам, что увеличивает время получения достоверного результата и негативно сказывается на чувствительности.
Способ ионизации, наиболее близкий к предлагаемому, используется в приборе, содержащем камеру ионизации проб воздуха и камеру дрейфа, в котором ионизация осуществляется коронным источником ионизации (фиг.3) с дополнительными поджигающими электродами (Патент США №6407382, Jun 2002). Дополнительные поджигающие электроды [10] управляются от импульсного генератора напряжения [11], и разряд между ними формируется перед основным импульсом поджига, создавая дополнительные «инициирующие ионы», которые способствуют стабильному поджигу разряда между основными электродами [2]. Подразумевается, что использование дополнительных электродов способствует контролируемому и стабильному поджигу разряда между основными электродами при наличии внешнего электрического поля.
Недостатком приведенного способа поджига коронного источника является конструктивное усложнение камеры ионизации, что приводит к увеличению габаритов, повышению трудоемкости и снижению технологичности ее производства. Так же остается нерешенной проблема нестабильного запуска разряда между дополнительными поджигающими электродами, поскольку их работа происходит в постоянном электрическом поле и образовавшиеся в зазорах электродов первичные носители заряда непрерывно уносятся из разрядного промежутка.
Задача предлагаемого способа поджига коронного разряда состоит в создании таких условий, чтобы ионизация пробы воздуха осуществлялась при контролируемых условиях, обеспечивающих стабилизацию процесса поджига и, как следствие повышение чувствительности и снижение числа ложных срабатываний прибора.
Предлагаемый способ поджига коронного разряда в ионном источнике спектрометра ионной подвижности состоит в разделении поджига коронного разряда на первичную и основную фазы (фиг.4). Перед первичной фазой поджига коронного разряда поле в ионном источнике снижается относительно номинального уровня, или устанавливается равным нулю, что обеспечивает установление стационарной концентрации фоновых носителей заряда вблизи разрядного промежутка. Во время первичной фазы поджига коронного разряда формируется одиночный импульс или серия импульсов напряжения на поджигающих электродах [2], приводящая к лавине коронного разряда между электродами. Ионы, образовавшиеся при этом, остаются вблизи электродов после прекращения разряда, поскольку напряженность электрического поля в ионном источнике имеет пониженное значение. К моменту подачи одиночного импульса или серии импульсов основной фазы ионизации поле в ионном источнике устанавливается на номинальный уровень, при этом «инициирующие» ионы не успевают покинуть область поджига вследствие малой подвижности. Основная фаза поджига приводит к стабильному во времени поджигу коронного разряда за счет присутствия в разрядном промежутке ионов, оставшихся со времени первой фазы поджига. Такая схема поджига коронного источника позволяет повысить стабильность работы. Так же предложенная схема ионизации пробы сохраняет технологичность и габариты используемого источника ионизации, не прибегая к использованию дополнительных поджигающих электродов. Формирование импульсов поджига и модуляция электрического поля не требует внесения дополнительных изменений в конструкцию камеры ионизации и реализуется синхронизацией от системы управления работой спектрометра ионной подвижности.