RU2030019C1

RU2030019C1 - Ultra-violet lamp for photoionization detectors

Info

Publication number: RU2030019C1
Authority: RU
Inventors: В.Л. Будович; Л.П. Шишацкая; Е.Б. Полотнюк; Франк Петер Херрман
Original assignee: Малое внедренческое предприятие "Хромдет-экология"
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: electronic devices. SUBSTANCE: ultra-violet lamp has envelope filled with at least one gas radiating multiline spectrum within range of vacuum ultra-violet. Lamp has window made of magnesium fluoride on side of radiation output hermetically coupled to envelope as well as filter from material with transmission cut-off from 122 to 171 nm. Filter can be separated from window by gas gap, it can also be manufactured in the form of layer applied to inner surface of window. Such design of lamp enables maximum working temperature to be risen and efficiency of lamp operation to be enhanced. EFFECT: increased operational efficiency of lamp. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструированию источников излучения, а именно к источникам излучения, используемым в качестве источника ионизации. The invention relates to the construction of radiation sources, and in particular to radiation sources used as an ionization source.

Источники ультрафиолетового (УФ) излучения широко применяются в аналитической технике. Среди источников УФ-излучения можно выделить приборы, излучающие в области ближнего (более 200 нм) и дальнего (менее 200 мм) ультрафиолета. Первые применяются в основном в аналитических устройствах абсорбционного типа, вторые - в устройствах, функционирующих на основе принципа фотоионизации. Эти источники обычно заполнены газом при низком (до 10 нм) давлении и излучают линейчатый спектр. УФ-лампы соединяются с камерой фотоионизационного детектора таким образом, что излучение, испускаемое лампой, попадает внутрь камеры, где проводит ионизацию. Sources of ultraviolet (UV) radiation are widely used in analytical technology. Among the sources of UV radiation can be distinguished devices emitting in the near (more than 200 nm) and far (less than 200 mm) ultraviolet. The former are mainly used in analytical devices of the absorption type, the latter in devices operating on the basis of the photoionization principle. These sources are usually filled with gas at low (up to 10 nm) pressure and emit a linear spectrum. UV lamps are connected to the camera of the photoionization detector so that the radiation emitted by the lamp enters the chamber where it conducts ionization.

Для улучшения излучательных характеристик ламп используются различные оптические материалы, через которые выводится излучение. To improve the emissive characteristics of the lamps, various optical materials are used through which radiation is output.

Известны лампы водородного наполнения [1], выполненные из кварца и имеющие диафрагму из боросиликатного стекла, нанесенного на Al₂О₃. Диафрагма играет роль интерференционного фильтра. Такая лампа не может использоваться для генерации излучения в области длин волн короче 160 нм, поскольку область пропускания кварца ограничена этой длиной волны.Known hydrogen filling lamps [1], made of quartz and having a diaphragm of borosilicate glass deposited on Al ₂ About ₃ . The diaphragm plays the role of an interference filter. Such a lamp cannot be used to generate radiation in the region of wavelengths shorter than 160 nm, since the transmission region of quartz is limited to this wavelength.

Известны УФ-лампы [2], содержащие колбу, заполненную водородом или дейтерием или их смесями с гелием при общем давлении до 10 мм рт. ст., окно из фторида магния, через которое выводится излучение. В известной лампе электрический разряд, зажигаемый во внутреннем объеме лампы, возбуждает атомарный и молекулярный водород, в результате чего лампа излучает в области вакуумного ультрафиолета (до 200 нм) многолинейчатый спектр. Левая граница излучаемого спектра определяется границей пропускания фторида магния и составляет 113 нм. В спектре присутствуют резонансная линия атомарного водорода L_α с длиной волны 121,6 нм (10,2 эВ) и линии, принадлежащие молекулярному водороду.Known UV lamps [2], containing a flask filled with hydrogen or deuterium or mixtures thereof with helium at a total pressure of up to 10 mm RT. Art., a window of magnesium fluoride, through which radiation is removed. In a known lamp, an electric discharge ignited in the internal volume of the lamp excites atomic and molecular hydrogen, as a result of which the lamp emits a multi-line spectrum in the vacuum ultraviolet region (up to 200 nm). The left boundary of the emitted spectrum is determined by the transmission limit of magnesium fluoride and is 113 nm. The spectrum contains the resonance line of atomic hydrogen L _α with a wavelength of 121.6 nm (10.2 eV) and lines belonging to molecular hydrogen.

Одной из важных характеристик лампы является стабильность ее излучения во времени и при изменении температуры. One of the important characteristics of a lamp is the stability of its radiation over time and when the temperature changes.

Изменение интенсивности излучения лампы, облучающей камеру фотоионизационного детектора, вызывает изменение ионизационного тока, протекающего в камере, вызывая флуктуационные шумы и дрейф фототока фотоионизационного детектора. A change in the radiation intensity of the lamp irradiating the camera of the photoionization detector causes a change in the ionization current flowing in the camera, causing fluctuation noise and the drift of the photocurrent of the photoionization detector.

Критерием эффективности работы УФ-лампы и фотоионизационного детектора является отношение величины ионизационного тока к амплитуде флуктуаций. Поэтому нестабильность излучательных характеристик УФ-лампы приводит к ухудшению эффективности. Лампа, имеющая высокий выход фотонов и наряду с этим высокие флуктуации излучения, не может обеспечить высокое соотношение сигнал/шум. В результате ухудшаются аналитические возможности фотоионизационных детекторов с УФ-лампами, ограничивается сфера их применения. Особенно это проявляется при работе фотоионизационного детектора с известной лампой при температуре 200-400^оС. В этом диапазоне температур из-за увеличения флуктуаций отношение сигнал/шум уменьшается более чем на порядок по сравнению с комнатной температурой.The criterion for the efficiency of the UV lamp and photoionization detector is the ratio of the ionization current to the amplitude of the fluctuations. Therefore, the instability of the emitting characteristics of the UV lamp leads to poor performance. A lamp having a high photon yield and at the same time high radiation fluctuations cannot provide a high signal to noise ratio. As a result, the analytical capabilities of photoionization detectors with UV lamps are deteriorating, and their scope is limited. This is particularly evident when using photoionization detector with the known lamp at a temperature of 200-400 ^C. In this temperature range due to the increase fluctuation signal / noise ratio is reduced by more than an order of magnitude compared to the room temperature.

Для улучшения характеристик работы УФ-лампы может быть использовано известное техническое решение [3] , наиболее близкое по своей сущности к предлагаемому изобретению. УФ-лампа предназначена для фотоионизационных детекторов и содержит разрядную колбу, заполненную по меньшей мере одним газом, излучающим при возбуждении многолинейчатый спектр в области вакуумного ультрафиолета. Со стороны выхода излучения лампа имеет фильтр, выполненный из материалов, имеющих границы пропускания от 122 нм, в частности из фторида кальция. To improve the performance of the UV lamp can be used the well-known technical solution [3], the closest in essence to the present invention. The UV lamp is designed for photoionization detectors and contains a discharge flask filled with at least one gas emitting a multi-line spectrum in the vacuum ultraviolet region when excited. On the radiation output side, the lamp has a filter made of materials having transmission limits from 122 nm, in particular calcium fluoride.

Это приводит к тому, что спектр излучения лампы, в разрядной камере которой имеется водород или дейтерий, также начинается с 122 нм. При этом наиболее высокоэнергетичная часть излучения, в том числе линия L_α , не попадает в ионизационную камеру. Это приводит к уменьшению флуктуационных шумов и дрейфа камеры фотоионизационного детектора и повышению эффективности работы лампы.This leads to the fact that the emission spectrum of the lamp, in the discharge chamber of which there is hydrogen or deuterium, also begins with 122 nm. In this case, the most high-energy part of the radiation, including the line L _α , does not enter the ionization chamber. This leads to a decrease in fluctuation noise and drift of the photoionization detector camera and to an increase in the lamp operation efficiency.

Недостатком известной лампы является трудность соединения таких фильтров с разрядной колбой. Сильное различие коэффициентов температурного расширения фторида кальция и стекол, обычно используемых в качестве материала колбы, делает чрезвычайно затруднительным создание герметичной конструкции, которая могла бы работать в диапазоне температур 200-400^оC. Необходимо отметить, что использование органических клеев невозможно по условиям применения фотоионизационных детекторов. Поэтому практическое применение УФ-ламп с окном из фторида кальция не получило распространения.A disadvantage of the known lamp is the difficulty of connecting such filters with a discharge bulb. The strong difference in the thermal expansion coefficients of calcium fluoride and glasses, usually used as the material of the flask, makes it extremely difficult to create a sealed structure that could operate in the temperature range 200-400 ^o C. It should be noted that the use of organic adhesives is impossible under the conditions of the use of photoionization detectors . Therefore, the practical use of UV lamps with a window of calcium fluoride is not widespread.

Целью предлагаемого изобретения является повышение максимальной рабочей температуры УФ-ламп для фотоионизационных детекторов. The aim of the invention is to increase the maximum operating temperature of UV lamps for photoionization detectors.

Цель достигается тем, что УФ-лампа для фотоионизационных детекторов, содержащая разрядную колбу, заполненную по меньшей мере одним газом, излучающим многолинейчатый спектр в области вакуумного ультрафиолета, имеющую со стороны выхода излучения фильтр из материала, имеющего границу пропускания от 122 до 171 нм, снабжена окном, выполненным из фторида магния и герметично соединенным с колбой, а фильтр находится внутри колбы. Нижняя граница пропускания фильтра определяется необходимостью срезания линии L_α, а верхняя - наименьшими потенциалами ионизации.The goal is achieved in that the UV lamp for photoionization detectors, containing a discharge flask filled with at least one gas emitting a multi-line spectrum in the vacuum ultraviolet region, having a filter from the emission exit side of a material having a transmission boundary from 122 to 171 nm, is equipped with a window made of magnesium fluoride and hermetically connected to the flask, and the filter is inside the flask. The lower limit of the filter transmission is determined by the need to cut the line L _α , and the upper one is determined by the lowest ionization potentials.

Другим отличием предлагаемой УФ-лампы является выполнение фильтра в виде слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность окна. Another difference of the proposed UV lamp is the implementation of the filter in the form of a layer deposited on the inner surface of the window.

Дополнительным отличием является отделение фильтра от окна газовым промежутком. An additional difference is the separation of the filter from the window by the gas gap.

На фиг. 1 представлен вариант УФ-лампы для фотоионизационных детекторов в электродном исполнении, работающей в режиме тлеющего разряда; на фи г. 2 - вариант безэлектродного исполнения лампы. In FIG. 1 shows a variant of a UV lamp for photoionization detectors in electrode design operating in a glow discharge mode; on fi g. 2 - an option of electrodeless lamp design.

Лампа содержит разрядную колбу 1, выполненную из стекла, герметично соединенную с окном 2 из фторида магния. Колба заполнена смесью водорода и гелия при общем давлении 6 мм рт. ст. Для заполнения лампы могут также использоваться чистый водород, дейтерий и смесь дейтерия и гелия при общем давлении 2-6 мм рт. ст. Внутри лампы в электродном исполнении (фиг. 1) расположены стеклянный цилиндр 3, спаянный с колбой в ее части, противоположной окну 2. На верхней части стеклянного цилиндра 3 закреплен анод 4, а на нижней - катод 5. Эти электроды соединены с герметично впаянными токовводами 6 и 7, присоединенными к источнику питания (не показан). Между анодом 4 и окном 2 лампы (фиг. 1) находится фильтр 8, выполненный из фторида кальция, имеющего нижнюю границу пропускания 122 нм. Фильтр 8 может быть как отделен от окна 2 лампы газовым промежутком (фиг. 1), так и выполнен в виде слоя, нанесенного на окно лампы (фиг. 2). Фильтр может быть также выполнен из фторида бария, имеющего нижнюю границу пропускания 135 нм. В безэлектродном исполнении лампа помещена в индуктор 9 высокочастотного генератора (фиг. 2). The lamp contains a discharge flask 1 made of glass, hermetically connected to the window 2 of magnesium fluoride. The flask is filled with a mixture of hydrogen and helium at a total pressure of 6 mm Hg. Art. Pure hydrogen, deuterium and a mixture of deuterium and helium at a total pressure of 2-6 mm Hg can also be used to fill the lamp. Art. Inside the lamp in the electrode version (Fig. 1) there is a glass cylinder 3, welded with the bulb in its part opposite to window 2. On the upper part of the glass cylinder 3 is fixed anode 4, and on the bottom - cathode 5. These electrodes are connected to hermetically sealed current leads 6 and 7 connected to a power source (not shown). Between the anode 4 and the lamp window 2 (Fig. 1) there is a filter 8 made of calcium fluoride having a lower transmission limit of 122 nm. The filter 8 can be both separated from the window 2 of the lamp by the gas gap (Fig. 1), and made in the form of a layer deposited on the window of the lamp (Fig. 2). The filter may also be made of barium fluoride having a lower transmission limit of 135 nm. In an electrodeless design, the lamp is placed in the inductor 9 of the high-frequency generator (Fig. 2).

УФ-лампа работает следующим образом. UV lamp operates as follows.

При подаче напряжения, превышающего пробивное, между анодом 4 и катодом 5 лампы (фиг. 1) зажигается тлеющий разряд. Среди множества реакций в разряде происходят диссоциация и рекомбинация молекул водорода, а также возбуждение атомов и молекул водорода. В результате лампа в области вакуумного ультрафиолета излучает многолинейчатый спектр, в котором кроме линий молекулярного водорода имеется резонансная линия атомарного водорода L_α. В безэлектродном исполнении лампы (фиг. 2) для получения многолинейчатого спектра применяется высокочастотный индукционный разряд, возбуждаемый с помощью индуктора 9 высокочастотного генератора.When a voltage exceeding breakdown is applied, a glow discharge is ignited between the anode 4 and the cathode 5 of the lamp (Fig. 1). Among the many reactions in the discharge, the dissociation and recombination of hydrogen molecules occur, as well as the excitation of atoms and hydrogen molecules. As a result, the lamp in the vacuum ultraviolet region emits a multi-line spectrum in which, in addition to molecular hydrogen lines, there is a resonant line of atomic hydrogen L _α . In the electrodeless lamp design (Fig. 2), a high-frequency induction discharge, excited by an inductor 9 of a high-frequency generator, is used to obtain a multi-line spectrum.

Благодаря наличию внутри колбы фильтра 8, выполненного из материала с границей пропускания больше 122 нм, происходит "срезание" части спектра излучения, лежащего между границами пропускания фторида магния и материала фильтра. При этом коротковолновая часть излучения с длиной волны менее 122 нм, в том числе L, не попадает в камеру ионизационного детектора. Due to the presence of a filter 8 inside the flask made of a material with a transmission boundary greater than 122 nm, a part of the radiation spectrum lying between the transmission fluxes of magnesium fluoride and the filter material is “cut off”. In this case, the short-wavelength part of the radiation with a wavelength of less than 122 nm, including L, does not enter the chamber of the ionization detector.

Доля излучения, приходящаяся на линию L, наиболее подвержена флуктуации, что связано с неравновесностью процессов диссоциации и рекомбинации. При исключении излучения в этой области устраняется наиболее сильно меняющийся фактор, увеличивающий флуктуации и дрейф фототока. В результате существенно уменьшается нестабильность тока камеры фотоионизационного детектора, что обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум, т.е. повышает эффективность работы лампы. The fraction of radiation per line L is most prone to fluctuations, which is associated with the disequilibrium of the processes of dissociation and recombination. With the exclusion of radiation in this region, the most strongly changing factor that increases the fluctuations and the drift of the photocurrent is eliminated. As a result, the instability of the photoionization detector camera current is significantly reduced, which ensures an increase in the signal-to-noise ratio, i.e. improves lamp efficiency.

В предлагаемой лампе герметизация объема обеспечивается за счет соединения фторида магния и стекла колбы. Известны способы их соединения с помощью материалов, обеспечивающих вакуумную плотность до температуры 400^оС. Такая температура достаточна для фотоионизационных детекторов, работающих в составе газовых хроматографов. В то же время фильтр, находящийся внутри колбы, не несет конструктивных функций и не требует герметичного соединения с элементами конструкции лампы. Это позволяет эксплуатировать лампу вплоть до температур, определяемых соединением фторида магния и стекла лампы.In the proposed lamp, volume sealing is provided by combining magnesium fluoride and glass flasks. Known methods for their connections using materials which provide a vacuum density to a temperature ^of 400 C. Such a temperature is sufficient to photoionization detectors operating in the composition of the gas chromatograph. At the same time, the filter inside the bulb does not carry constructive functions and does not require a tight connection with the structural elements of the lamp. This allows you to operate the lamp up to temperatures determined by the combination of magnesium fluoride and glass lamp.

Claims

1. UV LAMP FOR PHOTOIONIZATION DETECTORS, filled with at least one gas emitting a multi-line spectrum in the vacuum ultraviolet region, having, on the radiation output side, a filter made of a material having transmission boundaries in the range 128 - 171 nm, characterized in that it is provided a window made of magnesium fluoride and hermetically connected to the flask, and the specified filter is inside the flask.

2. The lamp according to claim 1, characterized in that the filter is made in the form of a layer deposited on the inner surface of the window.

3. The lamp according to claim 1, characterized in that the filter is separated from the window by a gas gap.