Устройство для разделения ионов в газах
Полезная модель относится к области газового анализа и может быть использована для решения задач разделения ионов в газе, например, ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе. Полезная модель может быть также использована как основа для газохроматографического детектирования. Для этого в устройстве для разделения ионов в газах, включающем два коаксиально и/или концентрически расположенных электрода - внешний и внутренний, между которыми образована полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, источники компенсирующего напряжения, знакопеременного периодического симметричного и несимметричного по полярности напряжений, подключенные к электродам, по крайней мере один из электродов состоит из по крайней мере трех соосных коаксиально и/или концентрически расположенных электрически изолированных частей, расположенных последовательно от входа в полость к выходу из полости, а источник знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения подключен только к средней части электрода. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Полезная модель относится к области газового анализа и может быть использована для решения задач разделения ионов в газе, например, ионов взрывчатых или наркотических веществ в воздухе. Полезная модель может быть также использована как основа для газохроматографического детектирования.
Известны устройства для разделения ионов в газах, включающие два плоскопараллельных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и образующих полость, имеющую вход и выход и продуваемую потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, источники компенсирующего напряжения и знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам [Патенты США: 
6495823, 17.12.2002; 6815668, 09.11.2004; 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, обусловленная их диффузионным расплыванием. Как следствие, низкая чувствительность и высокий предел обнаружения аналитического устройства.
Известны устройства для разделения ионов в газах, включающие два коаксиально и/или концентрически расположенных электрода - внутренний и внешний, между которыми образована полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, источники компенсирующего напряжения и знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к электродам [Патенты США: 6504149, 07.01.2003; 6639212, 28.10.2003; 6653627, 25.11.2003].
Недостатками таких устройств являются низкая разрешающая способность и избирательность, обусловленные использованием неоднородного электрического поля, приводящего к фокусировке ионных пучков в полости и увеличению диапазона значений компенсирующего напряжения для каждого типа ионов, т.е. уширению ионных пиков на спектре. Неоднородное электрическое поле возникает при приложении напряжения между коаксиально и/или концентрически расположенными электродами.
Известно устройство для разделения ионов в газах, включающее два цилиндрических коаксиальных электрода - внутренний и внешний, разделенных на множество цилиндрических электрически изолированных сегментов и расположенных так, что между электродами образуется полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, множество источников компенсирующего напряжения, подключенных к множеству сегментов одного из электродов и источник знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенный ко всем сегментам одного из электродов [Патент США 6621077, 16.09.2003].
Известно также устройство для разделения ионов в газах, включающее два коаксиально и концентрически расположенных электрода - внутренний и внешний, размещенных относительно друг друга так, что между ними образуется полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, причем один из электродов разделен на два электрически изолированных сегмента, источники компенсирующего напряжения, знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения, подключенные к внутреннему электроду, и источник знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения, подключенный к выходному сегменту внешнего электрода [Первухин В.В., Шевень Д.Г. Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. Вып.22. С.57-63].
Недостатками таких устройств являются низкая разрешающая способность и избирательность, обусловленные использованием неоднородного электрического поля, приводящего к фокусировке ионных пучков в полости и увеличению диапазона значений компенсирующего напряжения для каждого типа ионов и, следовательно, уширению ионных пиков на спектре.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для разделения ионов в газах, включающее два цилиндрических коаксиально расположенных электрода - внутренний и внешний, между которыми образована полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, источники компенсирующего напряжения, знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения и знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения, подключенные к одному из электродов [патент США 5420424, опубл. 30.05.95]. В указанном патенте симметричное по полярности напряжение называют напряжение «ряби» (ripple voltage).
Недостатками такого устройства являются сравнительно низкая чувствительность и высокий предел обнаружения, обусловленные рекомбинацией ионов на входной и выходной частях электродов вследствие колебаний этих ионов под действием поля, возникающего при приложении к электродам знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения.
Этот недостаток обусловлен тем, что при использовании коаксиальных цилиндрических или концентрических сферических электродов внутри полости образуется электрическое поле, имеющее пространственный градиент. На входе в полость ионы равномерно распределены по сечению полости, поэтому действие знакопеременного периодического симметричного по полярности электрического поля, возникающего при приложении к электродам соответствующего напряжения, приводит к рекомбинации ионов, находящихся вблизи электродов. Далее, вследствие действия суперпозиции компенсирующего и знакопеременного периодического несимметричного по полярности электрических полей по мере транспортировки ионов по полости в потоке дрейфового газа происходит их фокусировка в центральной части полости. Воздействие знакопеременного периодического симметричного по полярности электрического поля на сфокусированный пучек ионов не вызывает какой-либо значимой рекомбинации ионов. На выходе из полости суперпозиция приложенных напряжений может противодействовать транспортировке ионов потоком дрейфового газа на регистрацию, например, если эта транспортировка осуществляется через отверстие в одном из электродов. Это противодействие также вызывает дополнительную рекомбинацию ионов. Рекомбинация ионов на электродах на входе и выходе из полости вследствие приложения знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения приводит к дополнительному уменьшению чувствительности и росту предела обнаружения.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для разделения ионов в газах, имеющего высокую чувствительность и малый предел обнаружения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является уменьшение рекомбинации ионов на входе и выходе полости и, как следствие, повышение чувствительности и уменьшение предела обнаружения устройства для разделения ионов в газах.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для разделения ионов в газах, включающем два коаксиально и/или концентрически расположенных электрода - внешний и внутренний, между которыми образована полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, источники компенсирующего напряжения, знакопеременного периодического симметричного и несимметричного по полярности напряжений, подключенные к электродам, по крайней мере, один из электродов состоит из по крайней мере трех соосных коаксиально и/или концентрически расположенных электрически изолированных частей, расположенных последовательно от входа в полость к выходу из полости, а источник знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения подключен только к средней части электрода.
Дополнительно введен источник компенсирующего напряжения, подключенный к части электрода, расположенной вблизи выхода из полости.
Дополнительно введен источник импульсного напряжения, подключенный к части электрода, расположенной вблизи выхода из полости.
Дополнительно введены источники компенсирующего напряжения по числу частей электрода, причем каждый из источников подключен к одной из электрически изолированных частей электрода.
Преимущества настоящей полезной модели будут подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
на фиг.1 - приведен один из вариантов реализации предлагаемого устройства;
на фиг.2 - показаны спектры смеси отрицательных ионов взрывчатых веществ пентаэритритолтетранитрата (ПЭТН), 2,4-динитротолуола (ДНТ) и 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) в воздухе, имеющем температуру Т=295 К, при воздействии знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения амплитудой Us=-4000 В и частотой 200 кГц, знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения с фиксированными периодом р=1×10-2 с и амплитудой, меняющейся от U=0 до U=12 В при изменении однонаправленного напряжения от Uc=0 до Uc=19 В: А) прототип - источник симметричного по полярности напряжения подключен к внутреннему электроду (электрод не разделен на части); Б) предлагаемое устройство - источник симметричного по полярности напряжения подключен к средней части внутреннего электрода.
А) прототип - ионные токи, А: ПЭТН - 1.2×10-13 , ТНТ - 6.6×10-12, ДНТ - 5.5×10-12 ;
Б) один из вариантов предлагаемого устройства - ионные токи, А: ПЭТН - 1.3×10-13, ТНТ - 1.32×10 -11, ДНТ - 1.71×10-11. Амплитуды ионных пиков ПЭТН и в том и в другом случае приблизительно одинаковые, амплитуда ионного пика ТНТ больше в 2 раза, а ионного пика ДНТ - в 3.1 раза.
Устройство для разделения ионов в газах (фиг.1) включает внешний электрод 1, внутренний электрод 2, состоящий, в свою очередь, из трех соосных электрически изолированных частей, расположенных последовательно, электроды 1 и 2 расположены таким образом, что между ними образована полость 3, продуваемая потоком газа, содержащего смесь ионов; устройство включает также систему регистрации ионного тока 4, расположенную на выходе из полости, источник знакопеременного периодического симметричного по полярности напряжения Ug(t) 5, подключенный к средней электрически изолированной части внутреннего электрода 2, источник знакопеременного периодического несимметричного по полярности напряжения U sf(t) 6, подключенный ко всем частям внутреннего электрода 2, источник компенсирующего напряжения Uc 7, подключенный ко всем частям внутреннего электрода 2 через источники 5 и 6 знакопеременных периодических симметричного и несимметричного по полярности напряжений.
Устройство для разделения ионов в газах работает следующим образом. Смесь ионов потоком газа транспортируют через полость, образованную электродами 1 и 2. Под действием знакопеременного периодического несимметричного по полярности поля, возникающего при приложении к электродам напряжения Usf(t) от источника 6, ионы смеси, совершая высокочастотные колебания, приобретают скорости V
i, пропорциональные приращению их коэффициентов подвижности , и разделяются на типы (i). При действии компенсирующего поля, возникающего при приложении к электродам компенсирующего напряжения Uc от источника 7, для некоторых типов ионов скорость компенсируется, т.е. становится равной нулю Vi
0. Такие типы ионов фокусируются в средней по радиусу зоне полости и потоком газа транспортируются сквозь полость в систему регистрации ионного тока 4. Остальные типы ионов, для которых скорость не скомпенсирована (Vi
0), рекомбинируют на электродах 1 и 2. Меняя величину напряжения компенсации Uc,, можно последовательно зарегистрировать все типы ионов, присутствующие в смеси, - спектр. Фокусировка ионов в средней по радиусу зоне полости вызывает увеличение диапазона значений компенсирующего напряжения для каждого типа ионов и, следовательно, уширение ионных пиков на спектре. Для уменьшения этого уширения в прототипе используют знакопеременное периодическое симметричное по полярности электрическое поле, возникающее при приложении к электродам напряжения Ug(t) от источника 5. Пример такого спектра приведен на фиг.2А, в котором присутствуют пики ионов взрывчатых веществ пентаэритритол тетранитрата (ПЭТН), 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) и 2,4-динитротолуола (ДНТ) амплитудой 1.2×10-13, 6.6×10-12 и 5.5×10 -12 ампер, соответственно. Поскольку во входной части полости ионы не сфокусированы и распределены по всей ширине полости, то воздействие знакопеременного периодического симметричного по полярности электрического поля (как в прототипе) приводит к рекомбинации на электродах ионов, находящихся вблизи этих электродов. В выходной части полости ионы сфокусированы в средней по радиусу зоне полости и совершают колебания, вызванные действием симметричного по полярности электрического поля. Когда направление движение ионов под действием указанного поля противонаправлено движению транспортирующего газа, возникают дополнительные потери ионов вследствие рекомбинации. В предлагаемом техническом решении, по крайней мере, один из электродов состоит из, по крайней мере, трех соосных электрически изолированных частей, расположенных последовательно от входа в полость к выходу из полости, а источник симметричного по полярности напряжения подключен только к средней части электрода (т.е. симметричное по полярности напряжение не подается на сегменты, расположенные вблизи входа и выхода). Следовательно, на входной и выходной частях электродов не происходит рекомбинации ионов, вызванной действием переменного периодического симметричного по полярности электрического поля. На фиг.2Б представлен спектр ионов взрывчатых веществ ПЭТН, ТНТ и ДНТ, полученный при использовании предлагаемого технического решения. Амплитуды ионных пиков равны ПЭТН - 1.3×10-13, ТНТ - 1.32×10-11 , ДНТ - 1.71×10-11 ампер. Из сравнения спектров фиг.2 А и Б видно, что амплитуды ионных пиков ПЭТН и в том и в другом случае приблизительно одинаковые, амплитуда ионного пика ТНТ при использовании предлагаемого технического решения больше в 2 раза, а ионного пика ДНТ больше в 3.1 раза, чем при использовании прототипа. Таким образом, при использовании предлагаемого технического решения вследствие уменьшения рекомбинации ионов ТНТ и ДНТ на входе в полость и выходе из нее амплитуда пиков увеличивается, следовательно, повышается чувствительность и уменьшается предел обнаружения для указанных типов веществ.
Использование дополнительного источника компенсирующего напряжения и/или дополнительного источника импульсного напряжения, подключенных к части электрода, расположенного вблизи выхода из полости, при соответствующей величине напряжения уменьшает противодействие транспортировке ионов на регистрацию и, следовательно, повышает чувствительность и уменьшает предел обнаружения устройства.
Использование дополнительных источников компенсирующего напряжения, каждый из которых подключен к одной из частей электрически изолированного электрода, при соответствующих величинах напряжения уменьшает рекомбинацию ионов на электродах и противодействие транспортировке ионов на регистрацию, следовательно, повышает чувствительность и уменьшает предел обнаружения устройства.
Реализация предлагаемого технического решения представляет собой простую техническую задачу. Для этого необходимо в устройстве-прототипе, по крайней мере, один из электродов разделить на три соосных коаксиально и/или концентрически расположенных электрически изолированных части, а источник симметричного по полярности напряжения подключить только к средней части электрода. Все остальные узлы идентичны тем, которые используют в прототипе.
1. Устройство для разделения ионов в газах, включающее два коаксиально и/или концентрически расположенных электрода - внешний и внутренний, между которыми образована полость, имеющая вход и выход и продуваемая потоком дрейфового газа, содержащего смесь ионов, источники компенсирующего напряжения, знакопеременного периодического симметричного и несимметричного по полярности напряжений, подключенные к электродам, отличающееся тем, что по крайней мере один из электродов состоит из по крайней мере трех соосных коаксиально и/или концентрически расположенных электрически изолированных частей, расположенных последовательно от входа в полость к выходу из полости, а источник знакопеременного симметричного по полярности напряжения подключен только к средней части электрода.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введен источник компенсирующего напряжения, подключенный к части электрода, расположенной вблизи выхода из полости.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что дополнительно введен источник импульсного напряжения, подключенный к части электрода, расположенной вблизи выхода из полости.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введены источники компенсирующего напряжения по числу частей электрода, причем каждый из источников подключен к одной из электрически изолированных частей электрода.
