УДК 681.785.235
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АППАРАТНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ НА ОСНОВЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА
Н. Н. Бисярин, Е. Я. Черняк
Разработана экспериментальная конструкция спектрометра ионной подвижности. Исследовано влияние аппаратных параметров (тока коронного разряда (1—30 мкА), длительности инжектирующего импульса (200...3500 мкс), напряженности электрического поля в области дрейфа (70...220 В/см)) на аналитические характеристики экспериментального спектрометра ионной подвижности с источником ионов на основе коронного разряда. Разработана система инжекции ионного пакета в область дрейфа. Выполнено детектирование химических соединений на примере нитроглицерина.
Ключевые слова: спектрометр ионной подвижности, коронный разряд, ионный источник, разрешающая способность.
ВВЕДЕНИЕ
Высокочувствительный анализ следовых количеств примесей в окружающей атмосфере остается актуальной задачей. Наиболее быстродействующим методом для анализа многоатомных химических соединений примесных концентрации в газах при атмосферном давлении является спектрометрия ионной подвижности. Экспрес-сность анализа, высокая чувствительность, отсутствие вакуумных систем и портативность делают метод перспективным для решения широкого круга аналитических задач.
Спектрометр ионной подвижности, способный обнаруживать и идентифицировать химические соединения в окружающей среде [1], благодаря хорошим аналитическим характеристикам получил широкое распространение в области поиска ряда взрывчатых, наркотических и отравляющих веществ [2—4]. Приборы работают в реальном времени, отклик составляет несколько секунд, они способны обнаруживать доли нано-грамм анализируемых химических веществ. Возрастает также интерес к использованию спектрометров применительно к диагностике болезней, например, саркоидоза [5], и в фармакологии.
Использование в спектрометре ионной подвижности взамен традиционного ионизатора, содержащего радиоактивный материал, ионного источника на основе коронного разряда позво-
ляет улучшить аналитические возможности устройства. Достоинствами ионных источников на основе коронного разряда являются низкая стоимость производства, малая потребляемая мощность, возможность получения как отрицательных, так и положительных ионов.
Ионный источник на основе коронного разряда дает на порядок больший ток, чем источник 63
на N1 , что обеспечивает более высокую чувствительность прибора и более высокий показатель сигнал/шум [6]. В дополнение к сказанному это позволит избежать многочисленных трудностей, связанных с применением традиционных радиоактивных ионных источников (обеспечение безопасности производства, эксплуатации и утилизации, необходимости получения лицензии на использование радиоактивных материалов).
Интерес научного сообщества к коронному разряду как альтернативному способу ионизации в спектрометрии ионной подвижности постоянно растет. Однако до настоящего времени коронный разряд не получил распространения в промышленных моделях спектрометров ионной подвижности.
Целью данной работы является исследование влияния аппаратных факторов на аналитические характеристики разрабатываемого спектрометра ионной подвижности с ионным источником на основе коронного разряда.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ СПЕКТРОМЕТРА
Разработанная конструкция спектрометра ионной подвижности состоит из устройства отбора пробы газа, аналитической ячейки и электронного блока регистрации и обработки сигнала. Аналитическая ячейка содержит ионизатор, затвор для порционного отбора ионов на анализ, систему дрейфовых электродов, создающих однородное ускоряющее электрическое поле для разделения ионов по типам, и коллектор для регистрации по количеству и по времени прилета групп ионов из дрейфового пространства (рис. 1).
Ионный источник на основе коронного разряда представляет собой острийный электрод, размещенный на оси аналитической ячейки. Коаксиально ему расположен цилиндрический электрод, выполняющий функцию противоэлек-трода для зажигания коронного разряда. Коронный разряд зажигается в области острия, где создается сильное неоднородное электрическое поле. Ограничительный резистор стабилизирует ток коронного разряда. На расстоянии 10 мм от вершины острийного электрода установлен ионный затвор, образуемый двумя сетками, отстоящими на 10 мм друг от друга.
Ультрафиолетовое излучение, сопровождающее горение коронного разряда, может оказывать влияние на процессы образования ионов и ион-но-молекулярные реакции в ионном источнике и области дрейфа. В некоторых работах описаны конструкции спектрометров ионной подвижности, в которых для ионизации используется
1 2 3 4
56
чУ-1
Ш2Ш
шгш!
"I—¿-й-
Электрическое поле
Рис. 1. Аналитическая ячейка спектрометра ионной подвижности с источником ионов на основе коронного разряда:
1 — острийный электрод, 2 — противоэлектрод, 3 — первая затворная сетка с экраном, 4 — вторая затворная сетка, 5 — апертурная сетка, 6 — коллектор, 7, 8 — высоковольтные блоки питания
ультрафиолетовое излучение. В работе [7] показана возможность использования для ионизации ионов только ультрафиолетового излучения, сопровождающего горение коронного разряда. Ультрафиолетовое излучение может вызывать прямую фотоионизацию, если длина волны обеспечивает энергию ионизации, либо перевести атом или молекулу в возбужденное состояние. В тоже время, атомы и молекулы, переведенные под действием ультрафиолетового излучения в возбужденное состояние, при столкновениях с отрицательными ионами могут приводить к разрушению этих ионов, а ультрафиолетовое излучение, попавшее в область дрейфа, может приводить к фотоотрыву электронов от отрицательных ионов в результате поглощения фотонов.
Количественный характер влияния ультрафиолетового излучения на процессы в области дрейфа в полной мере не изучен, поэтому в центре первой сетки ионного затвора на оси системы размещен оптически непрозрачный диск из нержавеющей стали для предотвращения попадания в пространство дрейфа и устранения влияния на процессы, происходящие в нем, ультрафиолетового излучения.
В предложенном в данной работе ионном затворе электроды электрически соединены через резистор. Параллельно резистору подключен электронный ключ. В замкнутом состоянии ключа резистор шунтирован и в области между сетками отсутствует ускоряющее для ионов электрическое поле. Ближайшая к ионному источнику сетка находится под постоянным потенциалом. При равенстве потенциалов на сетках в области ионного затвора отсутствует электрическое поле, и ионы движутся под действием диффузии. В это время происходят реакции химической ионизации между первичными ионами и молекулами аналита, поступающими в затворную область. На время инжекции (200...3500 мкс) ключ размыкается и в области ионного затвора создается ускоряющее электрическое поле величиной, определяемой шунтирующим сопротивлением. Под действием ускоряющего поля ионы переходят в область дрейфового пространства. Управление ионным затвором осуществляется через гальваническую развязку с персонального компьютера. Система управления ионным затвором позволяет задавать время формирования ионного пакета, интервал между инжекциями, разность потенциалов, прикладываемую между электро-
7
8
36
вепвогв & Эувгетв • № 3.2014
и, В 0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200
-1400
-•- Фазы 1, 2, 4, 5 Фаза 3
1 1
0,00
0,02
0,04 0,06 г, м
0,08 0,10
а)
Фаза 1 Фаза 2|Фаза 3 |Фаза 4 |Фаза 51
I I I
б)
Рис. 2. Распределение поля на оси аналитической ячейки (а) и циклограмма напряженности поля в затворной области (б) во время фаз одного цикла измерения. Отсчет расстояния осуществляется от вершины острийного электрода
затв
дами затвора, и тем самым улучшать разрешающую способность и чувствительность спектрометра.
Для формирования однородного электрического поля в области движения ионов применяются проводящие кольца, называемые охранными электродами, с линейно изменяющимися по длине трубки потенциалами. Используется семь стальных колец с внутренним диаметром 4,9 см, разделенных диэлектрическими вставками. Длина области дрейфа составляет 6,5 см. Анализируемые химические вещества в газовой фазе вводятся в область затвора между двумя его сетками.
Цикл измерения включает пять последовательных фаз.
Фаза 1. Образование первичных ионов в области горения коронного разряда. Движение образовавшихся ионов к первой сетке ионного затвора.
Фаза 2. Пространственный заряд перетекает в область, ограниченную сетками ионного затвора. Одновременно с этим в эту область с помощью системы забора подается проба. Посредством реакций химической ионизации при атмосферном давлении в области происходит передача заряда от донорных реактант-ионов молекулам и формирование ионов анализируемых химических веществ.
Фаза 3. Между сетками ионного затвора прикладывается напряжение инжекции и в области возникает тянущее поле. Под действием элект-
рического поля образовавшиеся молекулы ана-лита инжектируются в пространство дрейфа.
Фаза 4. Напряжение между сетками ионного затвора снимается. Электрическое поле в затворной области становится равным нулю.
Фаза 5. Под действием однородного электрического поля в пространстве дрейфа ионы приобретаю только им присущие скорости и разделяются на группы.
Распределение поля на оси аналитической ячейки в различных фазах одного цикла измерения показано на рис. 2.
Фазы 3—5 могут повторяться несколько раз для накопления данных для последующего усреднения программным способом.
Детектируемый коллектором ионный ток усиливается электрометрическим усилителем. Сигнал с электрометрического усилителя оцифровывается АЦП и поступает на компьютер для программной обработки результатов анализа. Синхронизация и управление инжектирующими импульсами осуществляется с ПК через блок ЦАП.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В работе исследовано влияние на аналитические характеристики экспериментального спектрометра следующих параметров:
— времени инжекции ионного пакета в область дрейфа ?инж (длительно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.