СПЕКТРОМЕТР ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЛЕТУЧЕГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения для исследования и анализа веществ и преимущественно может быть использована для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, с помощью приборов спектрометрии подвижности ионов.
Известны устройства для обнаружения следовых количеств малолетучих органических веществ (US 5021654, 1981; GB 2217103, 1989; US 5200614, 1993; US 5420424, 1995; US 5969349, 1999; RU 2216817 C2, 2003; RU 2231781 C1, 2004; RU 2234697 C1, 2004; RU 2239826 C1, 2004; RU 2265832 C1, 2005; RU 59834 U1, 2006), которые основаны на использовании спектрометрии подвижности ионов и в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с радиоактивным источником ионизации молекул, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания. Однако использование в их конструкциях радиоактивных источников ионизации молекул приводит к усложнению эксплуатации и утилизации этих известных устройств, а также к увеличению массы и габаритов, что связано с необходимостью защиты оператора от действия ионизирующего излучения.
Известны устройства для обнаружения следовых количеств малолетучих органических веществ (US 5338931, 1994; RU 2029302 C1, 1995; RU 2247975 C1, 2005; RU 2256255 C2, 2005; RU 2298177 C1, 2007), которые основаны на использовании спектрометрии подвижности ионов и в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации на основе лампы, выполненной с возможностью испускания ультрафиолетового оптического излучения, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания. Недостатками указанных известных устройств являются достаточно ограниченный ресурс работы источника ионизации и сложность эксплуатации устройства, которая обусловлена необходимостью периодической калибровки устройства, вызванной изменениями характеристик излучения лампы с течением времени, а также чистки оптических поверхностей.
Известны также спектрометры подвижности ионов (US 5684300, 1997; J. Xu, W.B.Whitten, J.M.Ramsey. Pulsed-lonization Miniature lon Mobility Spectrometer. - Analytical Chemistry, Vol.75, No.16, August 15, 2003, pp.4206-4210), которые в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации на основе электродов, выполненной с возможностью образования между ними коронного разряда, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания. Поскольку в указанных устройствах затвор между ионизационной камерой и камерой дрейфа отсутствует, ионизационная камера и камера дрейфа ионов оказываются пространственно и электрически не разделенными. В результате этого не удается обеспечить высокую чувствительность спектрометра подвижности ионов.
Наиболее близким по конструкции к настоящей полезной модели является спектрометр ионной подвижности (RU 63119 U1, 2007), который может быть использован для обнаружения в воздухе паров взрывчатых и наркотических веществ. Спектрометр, являющийся ближайшим аналогом, содержит камеру ионизации с впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха и импульсным источником коронного разряда в качестве источника ионизации, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, первый затвор, выполненный в виде металлической сетки и установленный между камерой ионизации и камерой дрейфа ионов, второй затвор, выполненный в виде металлической сетки и установленный между источником коронного разряда и впускным и выпускным патрубками, а также источник электропитания, подключенный к источнику коронного разряда, первому и второму затворам и коллекторному электроду и выполненный с возможностью изменения разности потенциалов, приложенной между первым и вторым затворами. Использование в конструкции данного известного спектрометра первого и второго затворов с изменением разности потенциалов между ними так, чтобы напряженность электрического поля в пространстве между первым и вторым затворами изменялась во времени от 1000 В/см до 10 В/см и затем до 300 В/см, позволяет пространственно и электрически разделить камеру ионизации и камеру дрейфа ионов. В результате, по мнению авторов наиболее близкого аналога, обеспечивается эффективное разделение реактантионов разных знаков (под действием электрического поля напряженностью 1000 В/см), образовавшихся под действием коронного разряда, и увеличивается время, отводимое на ионизацию реактант-ионами молекул анализируемого вещества, вследствие медленного движения реактант-ионов под действием электрического поля сравнительно малой напряженности (10 В/см). Как считают авторы наиболее близкого аналога, это обеспечивает увеличение концентрации ионизированных молекул анализируемого вещества и поэтому повышение чувствительности спектрометра ионной подвижности, являющегося ближайшим аналогом. Вероятно, это наблюдается при значительных концентрациях молекул анализируемого вещества в пробе воздуха.
Вместе с тем, исследования показали, что при попытке обнаружения именно следовых количеств малолетучих органических веществ, когда концентрация молекул анализируемого вещества в пробе воздуха достаточно мала, вероятность пропуска обнаруживаемого органического вещества оказывается достаточно высокой. Как считают авторы настоящей полезной модели, это происходит потому, что избыток образовавшихся под действием коронного разряда реактант-ионов, которые не ионизировали молекулы анализируемого вещества (из-за малой их концентрации) и сохранили свой электрический заряд того же знака, что и ионизированные молекулы анализируемого вещества, под действием электрического поля с напряженностью, увеличенной до 300 В/см, движется вместе с ионизированными молекулами обнаруживаемого органического вещества к коллекторному электроду и, достигая его, создает фоновый электрический сигнал, повышающий вероятность пропуска обнаруживаемого органического вещества.
Поэтому недостатком спектрометра ионной подвижности, принятого за ближайший аналог, является высокая вероятность пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Задачей настоящей полезной модели является снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Поставленная задача решается, согласно настоящей полезной модели, тем, что спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества, содержащий, в соответствии с ближайшими аналогом, камеру ионизации с впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха и источником коронного разряда в качестве источника ионизации, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, сочлененную с ионизационной камерой, первый затвор, установленный между камерой ионизации и камерой дрейфа ионов, второй затвор, установленный между источником коронного разряда и впускным и выпускным патрубками, а также источник напряжений для электродов, подключенный к источнику коронного разряда, первому и второму затворам и коллекторному электроду и выполненный с возможностью изменения приложенного к первому затвору напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что источник напряжений для электродов выполнен с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, и второй затвор выполнен с возможностью пропускания ультрафиолетового оптического излучения.
При этом первый и второй затворы выполнены в виде металлической сетки или в виде перфорированной металлической пластины.
Выполнение источника электропитания с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, и выполнение второго затвора с возможностью пропускания ультрафиолетового оптического излучения, например, в виде металлической сетки или в виде перфорированной металлической пластины, обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества, что подтверждается следующими обстоятельствами.
Как известно (Лозаннский Э.Д., Фирсов О.Б. Физика искры. - М.: Атомиздат, 1975, 272 с.), при возникновении коронного разряда ионы пробы анализируемого воздуха образуются как непосредственно в области действия коронного разряда около инициирующих его электродов, так и на относительно большом расстоянии (до 10 мм) от них за счет ультрафиолетового излучения, возникающего при коронном разряде за счет возбуждения молекул воздуха и перехода их из метастабильного в нормальное состояние.
Как было отмечено выше при рассмотрении ближайшего аналога, при попытке обнаружения следовых количеств малолетучих органических веществ реактант-ионы, образовавшиеся в области действия коронного разряда и имеющие тот же знак, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, начинают играть отрицательную роль, вызывая повышение вероятности пропуска обнаруживаемого органического вещества. Поэтому выполнение источника электропитания с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, за счет создания потенциального барьера при функционировании спектрометра препятствует проникновению таких ионов из области действия коронного разряда через второй затвор в камеру дрейфа ионов. Вместе с тем, мягкое ультрафиолетовое излучение, возникающее при коронном разряде и проходящее через второй затвор к пробе анализируемого воздуха, ионизирует только содержащиеся в ней молекулы кислорода, которые затем легко захватывают недостающие электроны у молекул анализируемого вещества, превращая их в положительно заряженные ионы.
Поэтому использование для ионизации молекул анализируемого вещества лишь ультрафиолетового излучения коронного разряда и предотвращение попадания реактант-ионов, образовавшихся в зоне действия коронного разряда, приводит к повышению чувствительности и разрешающей способности спектрометра подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества, что обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у спектрометра подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества перечисленных выше отличительных признаков.
На чертеже показана структурная схема спектрометра подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества, где 1 - камера ионизации, 2 - камера дрейфа ионов, 3 - источник коронного разряда, 4 - коллекторный электрод, 5 - первый затвор, 6 - второй затвор, 7 - источник напряжений для электродов, 8 - впускной патрубок, 9 - выпускной патрубок, 10 - воздушный насос, 11 - фильтр, 12 - усилитель и 13 - блок управления и обработки.
Спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества содержит камеру 1 ионизации и камеру 2 дрейфа ионов, сочлененную с камерой 1 ионизации. Камера 1 ионизации снабжена впускным патрубком 8, соединенным с узлом отбора пробы воздуха (на чертеже не показан), выполненным, например, в виде цилиндрической насадки с каналом для забора воздуха и установленным снаружи, и выпускным патрубком 9, соединенным с атмосферой. В магистрали впускного патрубка 8 или выпускного патрубка 9 установлен вентилятор (на чертеже не показан) для принудительного отбора пробы воздуха. В камере 1 ионизации установлен источник 3 коронного разряда, который выполнен, например, в виде нескольких пар иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава с возможностью инициирования коронного разряда. Для этого расстояние между кончиками иглообразных электродов, например, может быть выбрано порядка 1 мм, а радиус их закругления - около 25 мкм.
Между камерой 1 ионизации и камерой 2 дрейфа ионов установлен первый затвор 5. В камере 1 ионизации между источником коронного разряда 3 и впускным и выпускным патрубками 8 и 9 установлен второй затвор 6. Первый и второй затворы 5 и 6 могут быть выполнены в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластины. В последнем случае первый и второй затворы 5 и 6 могут быть изготовлены, например, методом лазерной резки из нержавеющей стали толщиной 0,125 мм с выполнением квадратных отверстий размером 0,5×0,5 мм с шагом между отверстиями, равным 1 мм.
Камера 2 дрейфа ионов снабжена коллекторным электродом 4, установленным со стороны, противоположной первому затвору 5, и системой кольцевых электродов (на чертеже не показаны), которые размещены вдоль камеры 2 дрейфа ионов и обеспечивают формирование в ней равномерного продольного электрического поля. Камера 2 дрейфа ионов снабжена включенными последовательно воздушным насосом 10 и фильтром 11, которые обеспечивают отбор воздуха из камеры 2 дрейфа ионов вблизи расположения первого затвора 5, очистку воздуха, в том числе, и от паров воды, и нагнетание очищенного воздуха в камеру 2 дрейфа ионов вблизи расположения коллекторного электрода 4, что обеспечивает возможность замкнутой циркуляции очищенного воздуха через камеру 2 дрейфа ионов в направлении, противоположном направлению дрейфа через нее ионов.
Спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества также содержит блок 13 управления и обработки, выполненный на основе компьютера и снабженный элементами индикации оператору (на чертеже не показаны), усилитель 12, подключенный входом и выходом соответственно к коллекторному электроду 4 и входному аналого-цифровому преобразователю (на чертеже не показан) блока 13 управления и обработки, и источник 7 напряжений для электродов, который подключен своим управляющим входом к выходу блока 13 управления и обработки, а выходами - к электродам источника 3 коронного разряда, коллекторному электроду 4, первому затвору 5, второму затвору 6 и кольцевым электродам (на чертеже не показаны) камеры 2 дрейфа ионов для подачи высоковольтных напряжений.
Спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества работает следующим образом.
Для осуществления контроля с целью обнаружения малолетучих органических веществ, например, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, оператор включает питание спектрометра и подносит его входным отверстием узла отбора пробы воздуха (на чертеже не показан) к обследуемой поверхности. При этом начинает работать вентилятор узла отбора пробы воздуха (на чертеже не показан), в результате чего анализируемый воздух всасывается через впускной патрубок 8 прокачивается через камеру 1 ионизации, выходя в атмосферу через выпускной патрубок 9. Одновременно начинает работать воздушный насос 10, обеспечивая замкнутую циркуляцию через камеру 2 дрейфа ионов воздуха, очищаемого фильтром 11.
Источник 7 напряжений для электродов прикладывает относительно источника 3 коронного разряда к коллекторному электроду 4 постоянное высокое напряжение, которое имеет значение нескольких киловольт и знак, противоположный знаку заряда ионов молекул анализируемого вещества, а ко второму затвору 6 - постоянное напряжение того же знака, но значительно меньшее по значению, в результате чего в камере 2 дрейфа ионов возникает продольное электрическое поле. Первоначально источник 7 напряжений для электродов прикладывает к первому затвору 5 относительно второго затвора 6 напряжение, знак которого совпадает со знаком зарядов ионов анализируемого вещества. Импульсное напряжение амплитудой около 3 кВ частотой 200 кГц при длительности импульсов около 0,1 мс от источника 7 напряжений для электродов, синхронизируемого блоком 13 управления и обработки, прикладывается между электродами источника 3 коронного разряда, в результате чего между этими электродами возникает коронный разряд.
В результате постоянно действующего на втором затворе 6 напряжения образующиеся в зоне коронного разряда реактант-ионы того же знака, что и ионы анализируемого вещества, не попадают в пространство камеры 1 ионизации, расположенное за вторым затвором 6, и тем более в камеру 2 дрейфа ионов.
Испускаемое коронным разрядом ультрафиолетовое излучение через отверстия, выполненные во втором затворе 6, поступает в зону камеры 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6, через которую проходит анализируемый воздух. Ультрафиолетовое излучение, прошедшее через второй затвор 6 к пробе анализируемого воздуха ионизирует содержащиеся в ней молекулы кислорода, которые затем захватывают недостающие электроны у молекул анализируемого вещества, превращая их в положительно заряженные ионы, остающиеся в камере 1 ионизации вследствие действия запирающего напряжения на первом затворе 5. По истечении заданного интервала времени, необходимого для ионизации молекул обнаруживаемого вещества и накопления образовавшихся ионов молекул анализируемого вещества в камере 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6, по управляющему сигналу с блока 13 управления и обработки источник 7 напряжений для электродов снимает с первого затвора 5 напряжение, имеющее запирающую полярность для ионов анализируемого вещества, в результате чего под действием ускоряющего напряжения, приложенного к коллекторному электроду 4, накопившиеся в камере 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6 ионы анализируемого вещества начинают дрейфовать через камеру 2 дрейфа ионов к коллекторному электроду 4. Попадая на коллекторный электрод 4, продрейфовавшие ионы обеспечивают формирование на нем электрического сигнала, который после усиления по мощности усилителем 12 поступает в блок 13 управления и обработки, где с заданной дискретностью во времени преобразуется входным аналого-цифровым преобразователем (на чертеже не показан) в цифровые коды, соответствующие мгновенным значениям электрического сигнала. Эти цифровые коды запоминаются блоком 13 управления и обработки.
Скорость движения ионов через камеру 2 дрейфа ионов определяется их массой. Поэтому для вещества, которое необходимо обнаружить, на этапе калибровки спектрометра с использованием пробы воздуха, заведомо содержащей это вещество, предварительно определяют интервал времени от момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 4, определяемого по росту значения электрического сигнала на выходе усилителя 12.
В связи с этим, блок 13 управления и обработки выбирает цифровой код, принятый по истечении этого интервала времени с момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 и соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, и сравнивает его с заданным пороговым значением, которое соответствует допустимой концентрации в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить.
Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, не превысит заданного порогового значения, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал отсутствия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и отображает его оператору с помощью своих элементов индикации (на чертеже не показаны). Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное пороговое значение, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и с помощью своих элементов индикации (на чертеже не показаны) отображает его оператору. В этом случае блоком 13 управления и обработки отображается в цифровом виде мгновенное значение электрического сигнала, которое позволяет судить оператору о концентрации обнаруженного вещества в анализируемой пробе воздуха.
В случае необходимости обнаружения нескольких видов органических веществ последовательно для каждого из этих веществ на этапе калибровки спектрометра с использованием проб воздуха, заведомо содержащих одно из этих веществ, предварительно определяют интервалы времени от момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 4. В этом случае блок 13 управления и обработки выбирает цифровые коды, принятые по истечении нескольких интервалов времени с момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5, и сравнивает их с заданными пороговыми значениями, которые соответствуют допустимым концентрациям в анализируемой пробе воздуха веществ, которые необходимо обнаружить. Если какой-либо цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное для него пороговое значение, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества определенного вида и отображает его оператору.
Таким образом, полезная модель обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Полезная модель относится к области аналитического приборостроения для исследования и анализа веществ и преимущественно может быть использована для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, с помощью приборов спектрометрии подвижности ионов.
Известны устройства для обнаружения следовых количеств малолетучих органических веществ (US 5021654, 1981; GB 2217103, 1989; US 5200614, 1993; US 5420424, 1995; US 5969349, 1999; RU 2216817 C2, 2003; RU 2231781 C1, 2004; RU 2234697 C1, 2004; RU 2239826 C1, 2004; RU 2265832 C1, 2005; RU 59834 U1, 2006), которые основаны на использовании спектрометрии подвижности ионов и в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с радиоактивным источником ионизации молекул, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания. Однако использование в их конструкциях радиоактивных источников ионизации молекул приводит к усложнению эксплуатации и утилизации этих известных устройств, а также к увеличению массы и габаритов, что связано с необходимостью защиты оператора от действия ионизирующего излучения.
Известны устройства для обнаружения следовых количеств малолетучих органических веществ (US 5338931, 1994; RU 2029302 C1, 1995; RU 2247975 C1, 2005; RU 2256255 C2, 2005; RU 2298177 C1, 2007), которые основаны на использовании спектрометрии подвижности ионов и в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации на основе лампы, выполненной с возможностью испускания ультрафиолетового оптического излучения, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания. Недостатками указанных известных устройств являются достаточно ограниченный ресурс работы источника ионизации и сложность эксплуатации устройства, которая обусловлена необходимостью периодической калибровки устройства, вызванной изменениями характеристик излучения лампы с течением времени, а также чистки оптических поверхностей.
Известны также спектрометры подвижности ионов (US 5684300, 1997; J. Xu, W.B.Whitten, J.M.Ramsey. Pulsed-lonization Miniature lon Mobility Spectrometer. - Analytical Chemistry, Vol.75, No.16, August 15, 2003, pp.4206-4210), которые в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации на основе электродов, выполненной с возможностью образования между ними коронного разряда, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания. Поскольку в указанных устройствах затвор между ионизационной камерой и камерой дрейфа отсутствует, ионизационная камера и камера дрейфа ионов оказываются пространственно и электрически не разделенными. В результате этого не удается обеспечить высокую чувствительность спектрометра подвижности ионов.
Наиболее близким по конструкции к настоящей полезной модели является спектрометр ионной подвижности (RU 63119 U1, 2007), который может быть использован для обнаружения в воздухе паров взрывчатых и наркотических веществ. Спектрометр, являющийся ближайшим аналогом, содержит камеру ионизации с впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха и импульсным источником коронного разряда в качестве источника ионизации, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, первый затвор, выполненный в виде металлической сетки и установленный между камерой ионизации и камерой дрейфа ионов, второй затвор, выполненный в виде металлической сетки и установленный между источником коронного разряда и впускным и выпускным патрубками, а также источник электропитания, подключенный к источнику коронного разряда, первому и второму затворам и коллекторному электроду и выполненный с возможностью изменения разности потенциалов, приложенной между первым и вторым затворами. Использование в конструкции данного известного спектрометра первого и второго затворов с изменением разности потенциалов между ними так, чтобы напряженность электрического поля в пространстве между первым и вторым затворами изменялась во времени от 1000 В/см до 10 В/см и затем до 300 В/см, позволяет пространственно и электрически разделить камеру ионизации и камеру дрейфа ионов. В результате, по мнению авторов наиболее близкого аналога, обеспечивается эффективное разделение реактантионов разных знаков (под действием электрического поля напряженностью 1000 В/см), образовавшихся под действием коронного разряда, и увеличивается время, отводимое на ионизацию реактант-ионами молекул анализируемого вещества, вследствие медленного движения реактант-ионов под действием электрического поля сравнительно малой напряженности (10 В/см). Как считают авторы наиболее близкого аналога, это обеспечивает увеличение концентрации ионизированных молекул анализируемого вещества и поэтому повышение чувствительности спектрометра ионной подвижности, являющегося ближайшим аналогом. Вероятно, это наблюдается при значительных концентрациях молекул анализируемого вещества в пробе воздуха.
Вместе с тем, исследования показали, что при попытке обнаружения именно следовых количеств малолетучих органических веществ, когда концентрация молекул анализируемого вещества в пробе воздуха достаточно мала, вероятность пропуска обнаруживаемого органического вещества оказывается достаточно высокой. Как считают авторы настоящей полезной модели, это происходит потому, что избыток образовавшихся под действием коронного разряда реактант-ионов, которые не ионизировали молекулы анализируемого вещества (из-за малой их концентрации) и сохранили свой электрический заряд того же знака, что и ионизированные молекулы анализируемого вещества, под действием электрического поля с напряженностью, увеличенной до 300 В/см, движется вместе с ионизированными молекулами обнаруживаемого органического вещества к коллекторному электроду и, достигая его, создает фоновый электрический сигнал, повышающий вероятность пропуска обнаруживаемого органического вещества.
Поэтому недостатком спектрометра ионной подвижности, принятого за ближайший аналог, является высокая вероятность пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Задачей настоящей полезной модели является снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Поставленная задача решается, согласно настоящей полезной модели, тем, что спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества, содержащий, в соответствии с ближайшими аналогом, камеру ионизации с впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха и источником коронного разряда в качестве источника ионизации, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, сочлененную с ионизационной камерой, первый затвор, установленный между камерой ионизации и камерой дрейфа ионов, второй затвор, установленный между источником коронного разряда и впускным и выпускным патрубками, а также источник напряжений для электродов, подключенный к источнику коронного разряда, первому и второму затворам и коллекторному электроду и выполненный с возможностью изменения приложенного к первому затвору напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что источник напряжений для электродов выполнен с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, и второй затвор выполнен с возможностью пропускания ультрафиолетового оптического излучения.
При этом первый и второй затворы выполнены в виде металлической сетки или в виде перфорированной металлической пластины.
Выполнение источника электропитания с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, и выполнение второго затвора с возможностью пропускания ультрафиолетового оптического излучения, например, в виде металлической сетки или в виде перфорированной металлической пластины, обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества, что подтверждается следующими обстоятельствами.
Как известно (Лозаннский Э.Д., Фирсов О.Б. Физика искры. - М.: Атомиздат, 1975, 272 с.), при возникновении коронного разряда ионы пробы анализируемого воздуха образуются как непосредственно в области действия коронного разряда около инициирующих его электродов, так и на относительно большом расстоянии (до 10 мм) от них за счет ультрафиолетового излучения, возникающего при коронном разряде за счет возбуждения молекул воздуха и перехода их из метастабильного в нормальное состояние.
Как было отмечено выше при рассмотрении ближайшего аналога, при попытке обнаружения следовых количеств малолетучих органических веществ реактант-ионы, образовавшиеся в области действия коронного разряда и имеющие тот же знак, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, начинают играть отрицательную роль, вызывая повышение вероятности пропуска обнаруживаемого органического вещества. Поэтому выполнение источника электропитания с возможностью подачи на второй затвор напряжения, являющегося запирающим по отношению к ионам того же знака, что и ионы молекул обнаруживаемого вещества, за счет создания потенциального барьера при функционировании спектрометра препятствует проникновению таких ионов из области действия коронного разряда через второй затвор в камеру дрейфа ионов. Вместе с тем, мягкое ультрафиолетовое излучение, возникающее при коронном разряде и проходящее через второй затвор к пробе анализируемого воздуха, ионизирует только содержащиеся в ней молекулы кислорода, которые затем легко захватывают недостающие электроны у молекул анализируемого вещества, превращая их в положительно заряженные ионы.
Поэтому использование для ионизации молекул анализируемого вещества лишь ультрафиолетового излучения коронного разряда и предотвращение попадания реактант-ионов, образовавшихся в зоне действия коронного разряда, приводит к повышению чувствительности и разрешающей способности спектрометра подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества, что обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у спектрометра подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества перечисленных выше отличительных признаков.
На чертеже показана структурная схема спектрометра подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества, где 1 - камера ионизации, 2 - камера дрейфа ионов, 3 - источник коронного разряда, 4 - коллекторный электрод, 5 - первый затвор, 6 - второй затвор, 7 - источник напряжений для электродов, 8 - впускной патрубок, 9 - выпускной патрубок, 10 - воздушный насос, 11 - фильтр, 12 - усилитель и 13 - блок управления и обработки.
Спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества содержит камеру 1 ионизации и камеру 2 дрейфа ионов, сочлененную с камерой 1 ионизации. Камера 1 ионизации снабжена впускным патрубком 8, соединенным с узлом отбора пробы воздуха (на чертеже не показан), выполненным, например, в виде цилиндрической насадки с каналом для забора воздуха и установленным снаружи, и выпускным патрубком 9, соединенным с атмосферой. В магистрали впускного патрубка 8 или выпускного патрубка 9 установлен вентилятор (на чертеже не показан) для принудительного отбора пробы воздуха. В камере 1 ионизации установлен источник 3 коронного разряда, который выполнен, например, в виде нескольких пар иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава с возможностью инициирования коронного разряда. Для этого расстояние между кончиками иглообразных электродов, например, может быть выбрано порядка 1 мм, а радиус их закругления - около 25 мкм.
Между камерой 1 ионизации и камерой 2 дрейфа ионов установлен первый затвор 5. В камере 1 ионизации между источником коронного разряда 3 и впускным и выпускным патрубками 8 и 9 установлен второй затвор 6. Первый и второй затворы 5 и 6 могут быть выполнены в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластины. В последнем случае первый и второй затворы 5 и 6 могут быть изготовлены, например, методом лазерной резки из нержавеющей стали толщиной 0,125 мм с выполнением квадратных отверстий размером 0,5×0,5 мм с шагом между отверстиями, равным 1 мм.
Камера 2 дрейфа ионов снабжена коллекторным электродом 4, установленным со стороны, противоположной первому затвору 5, и системой кольцевых электродов (на чертеже не показаны), которые размещены вдоль камеры 2 дрейфа ионов и обеспечивают формирование в ней равномерного продольного электрического поля. Камера 2 дрейфа ионов снабжена включенными последовательно воздушным насосом 10 и фильтром 11, которые обеспечивают отбор воздуха из камеры 2 дрейфа ионов вблизи расположения первого затвора 5, очистку воздуха, в том числе, и от паров воды, и нагнетание очищенного воздуха в камеру 2 дрейфа ионов вблизи расположения коллекторного электрода 4, что обеспечивает возможность замкнутой циркуляции очищенного воздуха через камеру 2 дрейфа ионов в направлении, противоположном направлению дрейфа через нее ионов.
Спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества также содержит блок 13 управления и обработки, выполненный на основе компьютера и снабженный элементами индикации оператору (на чертеже не показаны), усилитель 12, подключенный входом и выходом соответственно к коллекторному электроду 4 и входному аналого-цифровому преобразователю (на чертеже не показан) блока 13 управления и обработки, и источник 7 напряжений для электродов, который подключен своим управляющим входом к выходу блока 13 управления и обработки, а выходами - к электродам источника 3 коронного разряда, коллекторному электроду 4, первому затвору 5, второму затвору 6 и кольцевым электродам (на чертеже не показаны) камеры 2 дрейфа ионов для подачи высоковольтных напряжений.
Спектрометр подвижности ионов для обнаружения малолетучего органического вещества работает следующим образом.
Для осуществления контроля с целью обнаружения малолетучих органических веществ, например, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, оператор включает питание спектрометра и подносит его входным отверстием узла отбора пробы воздуха (на чертеже не показан) к обследуемой поверхности. При этом начинает работать вентилятор узла отбора пробы воздуха (на чертеже не показан), в результате чего анализируемый воздух всасывается через впускной патрубок 8 прокачивается через камеру 1 ионизации, выходя в атмосферу через выпускной патрубок 9. Одновременно начинает работать воздушный насос 10, обеспечивая замкнутую циркуляцию через камеру 2 дрейфа ионов воздуха, очищаемого фильтром 11.
Источник 7 напряжений для электродов прикладывает относительно источника 3 коронного разряда к коллекторному электроду 4 постоянное высокое напряжение, которое имеет значение нескольких киловольт и знак, противоположный знаку заряда ионов молекул анализируемого вещества, а ко второму затвору 6 - постоянное напряжение того же знака, но значительно меньшее по значению, в результате чего в камере 2 дрейфа ионов возникает продольное электрическое поле. Первоначально источник 7 напряжений для электродов прикладывает к первому затвору 5 относительно второго затвора 6 напряжение, знак которого совпадает со знаком зарядов ионов анализируемого вещества. Импульсное напряжение амплитудой около 3 кВ частотой 200 кГц при длительности импульсов около 0,1 мс от источника 7 напряжений для электродов, синхронизируемого блоком 13 управления и обработки, прикладывается между электродами источника 3 коронного разряда, в результате чего между этими электродами возникает коронный разряд.
В результате постоянно действующего на втором затворе 6 напряжения образующиеся в зоне коронного разряда реактант-ионы того же знака, что и ионы анализируемого вещества, не попадают в пространство камеры 1 ионизации, расположенное за вторым затвором 6, и тем более в камеру 2 дрейфа ионов.
Испускаемое коронным разрядом ультрафиолетовое излучение через отверстия, выполненные во втором затворе 6, поступает в зону камеры 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6, через которую проходит анализируемый воздух. Ультрафиолетовое излучение, прошедшее через второй затвор 6 к пробе анализируемого воздуха ионизирует содержащиеся в ней молекулы кислорода, которые затем захватывают недостающие электроны у молекул анализируемого вещества, превращая их в положительно заряженные ионы, остающиеся в камере 1 ионизации вследствие действия запирающего напряжения на первом затворе 5. По истечении заданного интервала времени, необходимого для ионизации молекул обнаруживаемого вещества и накопления образовавшихся ионов молекул анализируемого вещества в камере 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6, по управляющему сигналу с блока 13 управления и обработки источник 7 напряжений для электродов снимает с первого затвора 5 напряжение, имеющее запирающую полярность для ионов анализируемого вещества, в результате чего под действием ускоряющего напряжения, приложенного к коллекторному электроду 4, накопившиеся в камере 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6 ионы анализируемого вещества начинают дрейфовать через камеру 2 дрейфа ионов к коллекторному электроду 4. Попадая на коллекторный электрод 4, продрейфовавшие ионы обеспечивают формирование на нем электрического сигнала, который после усиления по мощности усилителем 12 поступает в блок 13 управления и обработки, где с заданной дискретностью во времени преобразуется входным аналого-цифровым преобразователем (на чертеже не показан) в цифровые коды, соответствующие мгновенным значениям электрического сигнала. Эти цифровые коды запоминаются блоком 13 управления и обработки.
Скорость движения ионов через камеру 2 дрейфа ионов определяется их массой. Поэтому для вещества, которое необходимо обнаружить, на этапе калибровки спектрометра с использованием пробы воздуха, заведомо содержащей это вещество, предварительно определяют интервал времени от момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 4, определяемого по росту значения электрического сигнала на выходе усилителя 12.
В связи с этим, блок 13 управления и обработки выбирает цифровой код, принятый по истечении этого интервала времени с момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 и соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, и сравнивает его с заданным пороговым значением, которое соответствует допустимой концентрации в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить.
Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, не превысит заданного порогового значения, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал отсутствия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и отображает его оператору с помощью своих элементов индикации (на чертеже не показаны). Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное пороговое значение, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и с помощью своих элементов индикации (на чертеже не показаны) отображает его оператору. В этом случае блоком 13 управления и обработки отображается в цифровом виде мгновенное значение электрического сигнала, которое позволяет судить оператору о концентрации обнаруженного вещества в анализируемой пробе воздуха.
В случае необходимости обнаружения нескольких видов органических веществ последовательно для каждого из этих веществ на этапе калибровки спектрометра с использованием проб воздуха, заведомо содержащих одно из этих веществ, предварительно определяют интервалы времени от момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 4. В этом случае блок 13 управления и обработки выбирает цифровые коды, принятые по истечении нескольких интервалов времени с момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5, и сравнивает их с заданными пороговыми значениями, которые соответствуют допустимым концентрациям в анализируемой пробе воздуха веществ, которые необходимо обнаружить. Если какой-либо цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное для него пороговое значение, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества определенного вида и отображает его оператору.
Таким образом, полезная модель обеспечивает снижение вероятности пропуска следовых количеств обнаруживаемого органического вещества.