Спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах

Реферат: Винахід належить до газоаналітичних приладів, зокрема спектрометрів іонної рухливості, які застосовуються для виявлення мікроконцентрацій органічних та неорганічних сполук у газових сумішах при атмосферному тиску. Спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах передбачає постійний перенос іонів від джерела іонізації до колектора у поздовжньому електричному полі низької напруженості і реєстрацію сумарного іонного струму. На етапі переносу іонів від джерела іонізації до колектора іони розділяють у поперечному імпульсному періодичному з наростаючою чи спадаючою скважністю електричному полі. Технічним результатом винаходу є підвищення чутливості та роздільної здатності при реєстрації іонів та незалежність одна від одної цих аналітичних характеристик при менших геометричних параметрах дрейфової області. UA 108499 C2 (12) UA 108499 C2 UA 108499 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до газоаналітичних приладів, зокрема спектрометрів іонної рухливості, які застосовуються для виявлення мікроконцентрацій органічних та неорганічних сполук у газових сумішах при атмосферному тиску, а саме до способу розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах. Відомим аналогом вважається спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, що включає накопичення заряджених частинок у області до електростатичного затвора, пропускання іонного пучка в область дрейфу, розділення іонів у однорідному поздовжньому електричному полі низької напруженості і реєстрацію часу їх прольоту до детектора. Недоліками аналога є залежність роздільної здатності від довжини дрейфової камери та тривалості імпульсу, який робить іонний затвор прозорим для руху іонів. Зі збільшенням довжини дрейфової області збільшується роздільна здатність при реєстрації іонних струмів, однак зменшується значення цих струмів, тобто зменшується чутливість способу. До того ж збільшення розмірів дрейфової камери перешкоджає її використанню у портативних приладах газового аналізу. Зі зменшенням тривалості імпульсу, що відкриває затвор, роздільна здатність збільшується, однак чим коротший цей імпульс, тим менше іонів від джерела іонізації потрапляє у дрейфову область, що обумовлює менші іонні струми, і, як наслідок, меншу чутливість способу. Тобто роздільна здатність вищеописаного способу перебуває у зворотно-пропорційній залежності від його чутливості, що затрудняє його застосування у газоаналітичних приладах для аналізу слідових концентрацій речовин у багатокомпонентних газових сумішах. Найбільш близьким технічним рішенням як щодо суті, так і за задачами, що вирішуються, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, згідно з яким забезпечують постійний перенос іонів від джерела іонізації до колектора у поздовжньому електричному полі низької напруженості і реєструють сумарний іонний струм [2]. Спосіб у прототипі передбачає, що рух заряджених частинок переривають електростатичним іонним затвором подачею на нього короткотривалого імпульсу напруги, реєструють час від моменту дії цього імпульсу до спаду значення іонного струму. Такий спосіб дає покращення відношення сигнал/шум, підвищення чутливості та роздільної здатності. Недоліками прототипу є залежність роздільної здатності від довжини дрейфової області, а відповідно, від чутливості. До того ж, роздільна здатність зворотно-пропорційно залежить від тривалості імпульсу, що запирає затвор, а при досить коротких таких імпульсах іони з малими показниками рухливості не будуть повністю рекомбіновані в зоні дії затвора і помічені на спектрі, що обмежує коло реєстрованих сполук. В основу винаходу поставлена задача: у способі розділення та подальшої реєстрації іонів газових сумішей у електричному полі низької напруженості, у якому іони рухаються від джерела іонізації до колектора, виключити залежність роздільної здатності від чутливості та підвищити показники цих аналітичних характеристик. Суть винаходу в способі розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, згідно з яким забезпечують постійний перенос іонів від джерела іонізації до колектора у поздовжньому електричному полі низької напруженості і реєструють сумарний іонний струм, полягає в тому, що на етапі переносу іонів від джерела іонізації до колектора іони розділяють у поперечному імпульсному періодичному з наростаючою (спадаючою) скважністю електричному полі низької напруженості та вузької просторової локалізації. Порівняльний аналіз технічного рішення із прототипом показує, що спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, який заявляється, відрізняється тим, що на етапі переносу іонів від джерела іонізації до колектора іони розділяють у поперечному імпульсному періодичному з наростаючою (спадаючою) скважністю електричному полі низької напруженості та вузької просторової локалізації. Таким чином, спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, що заявляється, відповідає критерію винаходу "новизна". Технічний результат способу розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, що заявляється, забезпечується шляхом створення поперечного імпульсного періодичного з наростаючою (спадаючою) скважністю електричного поля низької напруженості та вузької просторової локалізації. Запропонований спосіб забезпечує підвищення чутливості та роздільної здатності при реєстрації іонів та незалежність одна від одної цих аналітичних характеристик при менших геометричних параметрах дрейфової області. Даний результат витікає з того, що всі утворені іони потрапляють до колектора і вносять свій вклад у реєстровані іонні струми. Оскільки довжина області дії поперечного електричного поля лише у кілька разів менша відстані пробігу іонів від джерела іонізації до колектора, то значна частина утворених 1 UA 108499 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 іонів потрапляє під дію цього поля і реєструється. Зменшення довжини дрейфової області призводить до збільшення чутливості методу. Основним параметром, який впливає на роздільну здатність запропонованого способу, є однорідність поперечного електричного поля, у якому іони розділяються за критерієм їх рухливості, оскільки досягнення високих значень цього параметра не є складною технологічною задачею, то роздільна здатність досягає прийнятних значень без втрати чутливості. Суть запропонованого винаходу пояснюється за допомогою креслень, де показані: на фіг. 1 - принцип роботи іонного фільтра; на фіг. 2 - вигляд управляючого сигналу напруги між пластинами фільтра. Спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах здійснюється таким чином. Утворені після джерела іонізації іони під дією поздовжнього електричного поля Е х, що виникає внаслідок різниці потенціалів між відштовхувальним електродом та колектором, прямують безперервно в напрямку до колектора. Розділення іонів за критерієм рухливості у цьому полі не враховується, тобто воно слугує лише для переносу заряджених частинок, а інформативні показники для аналізу отримують при розділенні іонів у поперечному до їх руху електричному полі низької напруженості і вузької просторової локалізації. Поперечне до руху іонів поле створюється між паралельними пластинами іонного фільтра, виконаного з двох наборів пластин із електропровідного матеріалу, які розміщені на однаковій відстані одна від одної таким чином, що між кожними двома сусідніми пластинами може існувати різниця потенціалів, тобто пластини фільтра сполучені "через одну". Розміщується іонний фільтр між джерелом іонізації та колектором. Коли фільтр є прозорим для руху іонів, потенціал на всіх його пластинах однаковий, і підбирається таким чином, щоб не порушувати напруженість електричного поля вздовж дрейфової області. Іонний фільтр працює у імпульсному режимі неповного пропускання іонізованих часток, а решту часу він є повністю прозорим для всіх іонів. Принцип розділення іонів за критерієм рухливості в зоні дії іонного фільтра показано на фігурі 1. Коли між сусідніми пластинками фільтра відсутня різниця потенціалів, іони можуть вільно проходити через нього, майже не змінюючи траєкторію свого руху. Деякі незначні зміни траєкторії пов'язані з дією на рухомі заряджені частки електростатичного потенціалу тієї ж полярності, що присутня на пластинках фільтра, крім того, в зоні іонного фільтра напруженість електричного поля вздовж дрейфової камери спадає нерівномірно, що пов'язано з однаковим потенціалом вздовж ширини пластинки L. При подачі короткотривалого потенціалу між сусідніми пластинками (потенціал запирання) іони починають дрейфувати в поперечному до їх основного руху напрямку під дією електричного поля Еу, напруженість якого у кілька разів вища від Ех. Іони, рухливість яких дозволяє виконати умову Ty  a за час дії потенціалу запирання Т у k  Ey рекомбінують на пластинці з меншим потенціалом, не потрапляючи на колектор. Іони, що проходять зону фільтра, потрапляють на колектор і реєструються. Тобто швидкі іони (із великим значенням коефіцієнта рухливості) встигають подолати відстань між пластинками і повністю відбираються у зоні фільтра за час дії потенціалу запирання, зі збільшенням тривалості дії потенціалу запирання, до колектора перестають потрапляти іони з все меншими значеннями коефіцієнта рухливості. Тривалість імпульсу Т у поступово збільшується (див. фіг. 2), допоки всі іони не будуть відібрані в зоні фільтра. Проміжок часу між двома послідовними імпульсами потенціалу запирання фільтр повністю відкритий для руху іонів і всі іонізовані частки потрапляють до колектора, цей час підбирається із умови, щоб всі іони змогли подолати відстань від джерела іонізації до колектора. Тобто сигнал напруги між пластинками фільтра є періодичним із поступово спадаючим (зростаючим) значенням скважності. Із зареєстрованого на колекторі іонного струму виділяється сумарний іонний струм, який не потрапив до колектора (був нейтралізований в області дії затвора) за час дії сигналу запирання. Залежність цього сумарного нейтралізованого заряду від тривалості дії цього сигналу піддається аналізу: аналізуємо швидкість спаду іонного струму при збільшенні часу дії сигналу (від'ємна друга похідна цієї залежності), за якою визначаються рухливості іонів, присутніх у аналізованому зразку. Тобто визначаємо іони з якими рухливості перестають вносити свій вклад у сумарний нейтралізований на фільтрі заряд при даній тривалості сигналу, інакше сказати ті, які повністю нейтралізувались при попередньому значенні часу тривалості сигналу. Ширина пластин фільтра підбирається найменшою, що задовольняє умову L  Ex  a , для Ey того щоб іони, які потрапляють в зону дії фільтра на початку імпульсу Ту, перебували в ній протягом тривалості дії потенціалу запирання. 2 UA 108499 C2 5 10 15 Запропонований спосіб забезпечує підвищення чутливості та роздільної здатності при реєстрації іонів та незалежність одна від одної цих аналітичних характеристик при менших геометричних параметрах дрейфової області. Даний результат витікає з того, що всі утворені іони потрапляють до колектора і вносять свій вклад у реєстровані іонні струми. Оскільки довжина області дії поперечного електричного поля лише у кілька разів менша відстані пробігу іонів від джерела іонізації до колектора, то значна частина утворених іонів потрапляє під дію цього поля і реєструється. При меншій довжині дрейфової області відношення кількості іонів, що перебувають у області дії поперечного до їх руху електричного поля, до загальної кількості іонів у дрейфовій камері зростає, тобто чутливість збільшується. На роздільну здатність запропонованого способу найбільше впливає однорідність поперечного електричного поля, у якому іони розділяються за критерієм їх рухливості, оскільки відстані між пластинами фільтра, між якими створюється це поле, невеликі, а забезпечення однакової ширини пластин та їх паралельного розміщення на діелектричній основі не є складною технологічною задачею, то роздільна здатність досягає прийнятних значень без втрати чутливості. Джерела інформації: 1. Патент Російської Федерації № 2398309, МПК (2006.01) H01J49/40, G01N27/64, опублікований 16.07.2009р. - аналог. 2. Патент США № 4950893, МПК G01N 27/64, H01J 049/40, опублікований 21.08.1990 p. прототип. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Спосіб розділення та подальшої реєстрації іонів у газових сумішах, у якому забезпечують постійний перенос іонів від джерела іонізації до колектора у поздовжньому електричному полі і реєструють сумарний іонний струм, який відрізняється тим, що на етапі переносу іонів від джерела іонізації до колектора іони розділяють у поперечному імпульсному періодичному з наростаючою чи спадаючою скважністю електричному полі. 3 UA 108499 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4