BG66623B1 - Метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове и намира приложение в областта на приборостроенето. Те позволяват да се извършва качествен и количествен анализ на примеси в широк диапазон от налягания на основния газ, достигащи до атмосферното. Методът се състои в това, че се създава стационарна газоразрядна плазма, ограничена от катод, анод, сензор и стени. Налягането на основния инертен газ и пространствената конфигурация на електродите и стените се избират така, че да се формира нелокална плазма между катода и анода или между катода и сензора. Определя се количеството електрони с характеристични енергии, създадени при Пенингова йонизация на анализираните атоми или молекули на примесите. По параметрите на тези електрони се определя химичният състав на примесите. Измерва се токът през сензор в зависимост от напрежението, приложено между сензора и анода. Йонизационният детектор за прилагане на метода за анализ на примеси в газове се състои от йонизационна камера, включваща катод, анод, сензор и стени. Катодът и анодът са свързани с източник на постоянно напрежение. Сензорът е разположен в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, извън областта на катодния слой на обемен заряд. Сензорът е свързан с измерителна схема за регистрация и обработка сензорните на волт-амперни характеристики. Методът и йонизационният детектор за анализ на примеси в газове се характеризират с висока чувствителност, точност на анализа и увеличено време на живот на прибора.

Description

<И, 66623 В1 (51) 1п1.С1.

С 01N 27/62 (2006.01)

С 01N 27/70 (2006.01) (21) Заявителски № 111131 (22) Заявено на 01.02.2012 (24) Начало на действие на патента от: 01.02.2012

Приоритетни данни (31) (32) (33) (41) Публикувана заявка в бюлетин № 8 на 30.08.2013 (45) Отпечатване на 30.11.2017 (46) Публикувано в бюлетин № 11 на 30.11.2017 (56) Информационни източници:

(62) Разделена заявка от рег. №:

(73) Патентопритежател(и):

ИНСТИТУТ ПО ФИЗИКА НА ТВЪРДОТО ТЯЛО АКАДЕМИК ГЕОРГИ НАДЖАКОВ - БАН, 1784 СОФИЯ,

БУЛ. ЦАРИГРАДСКО ШОСЕ 72 (72) Изобретател(и):

Петко Михайлов Праматаров София (ВС)

Анатолий Анагольевич Кудрявцив Санкт-Петербург (КЦ)

Маргарита Стоилова Стефанова София (ВС) (74) Представител по индустриална собственост:

(86) № и дата на РСТ заявка:

(87) № и дата на РСТ публикация:

(54) МЕТОД И ЙОНИЗАЦИОНЕН ДЕТЕКТОР ЗА АНАЛИЗ НА ПРИМЕСИ В ГАЗОВЕ

66623 В1

(57) Изобретението се отнася до метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове и намира приложение в областта на приборостроенето. Те позволяват да се извършва качествен и количествен анализ на примеси в широк диапазон от налягания на основния газ, достигащи до атмосферното. Методът се състои в това, че се създава стационарна газоразрядна плазма, ограничена от катод, анод, сензор и стени. Налягането на основния инертен газ и пространствената конфигурация на електродите и стените се избират така, че да се формира нелокална плазма между катода и анода или между катода и сензора. Определя се количеството електрони с характеристични енергии, създадени при Пенингова йонизация на анализираните атоми или молекули на примесите. По параметрите на тези електрони се определя химичният състав на примесите. Измерва се токът през сензор в зависимост от напрежението, приложено между сензора и анода. Йонизационният детектор за прилагане на метода за анализ на примеси в газове се състои от йонизационна камера, включваща катод, анод, сензор и стени. Катодът и анодът са свързани с източник на постоянно напрежение. Сензорът е разположен в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, извън областта на катодния слой на обемен заряд. Сензорът е свързан с измерителна схема за регистрация и обработка сензорните на волт-амперни характеристики. Методът и йонизационният детектор за анализ на примеси в газове се характеризират с висока чувствителност, точност на анализа и увеличено време на живот на прибора.

претенции, 6 фигури

66623 В1 (54) МЕТОД И ЙОНИЗАЦИОНЕН ДЕТЕКТОР ЗА АНАЛИЗ НА ПРИМЕСИ В ГАЗОВЕ Област на техниката

Изобретението се отнася до метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове, с които се осигурява качествен и количествен анализ на химическия състав на примеси в основен газ и се отнася до областта на приборостроенето. Йонизационният детектор намира приложение при екологичния мониторинг, контрол на газовата среда в производствените процеси, откриване на опасни и взривни вещества в системите за безопасност, в медицината, енергетиката и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са газови детектори [1], при които се определя химическия състав на газовата смес чрез масспектрометричен анализ на йоните, възникнали при йонизация на газа в йонизационна камера. Измерването на тока от йони, разделени според отношението маса-заряд, позволява да се определи качествения и количествен състав на газовата смес. Недостатък на тези йонизационни детектори е, че е необходимо използването на мас-спектрометър, който е сложна апаратура с големи размери, изискваща поддържането на висок вакуум, за да могат йоните с различни отношения маса-заряд да бъдат точно селектирани без разсейване при прелитането им по определена траектория до регистрацията им.

Известни са методите на фотоелектронната и Оже-спектроскопия [2] за определяне на химическия състав на газови смеси. Те се основават на измерването на кинетичната енергия на електроните, възникващи при йонизация на газа с фотони с фиксирана енергия. Разликата между известната енергия на фотона и измерената кинетична енергия на фотоелектроните дава информация за йонизационния потенциал на атомите или молекулите на газовата смес, от където се определя нейния състав. Ако са известни сеченията за фотойонизация, по разпределението на фотоелектроните по енергии, може да се определят парциалните налягания на компонентите на анализираната смес. Недостатък на тези методи е, че се използва спектрометър със значителни размери и е необходим висок вакуум за осигуряването на надеждна регистрация на електронните спектри.

Известни са методи за определяне на примеси в газове, основаващи се на измерване на измененията на йонизационния ток при възбуждане на газа [3]. Детекторите при тези методи са с малки размери и могат да работят при налягания до атмосферното. Измерва се тока през електрод, намиращ се в йонизационна камера в зависимост от подаваното му напрежение и се определя наличието на примеси в основния газ по интегралния ток през електрода. Недостатък на тези методи е, че с тях не могат да се идентифицират атомите или молекулите на примесите, нито да се определи тяхната концентрация.

Известен е метод за определяне на състава на газови смеси [4], който определя присъствието на примеси в основен газ чрез измерването на енергията на електроните получени при йонизация на примесите в послесветенето на импулсен газов разряд. Недостатък на метода е, че се използва импулсен разряд и е нужна импулсна схема на регистрация на сигналите, която усложнява реализацията на метода и намалява чувствителността му.

Известен е метод за определяне на състава на газови примеси в основен газ [5], състоящ се в това, че се създава газоразрядна плазма ограничена от катод, анод и стени, налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на анода и стената да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия, определя се количеството на електрони с характеристични енергии, възникващи при йонизация на атомите или молекулите на примесите, съди се за състава на примесите по параметрите на тези електрони, поддържа се стационарен режим на горене на плазмата и се измерва тока на поне един допълнителен електрод, поставен в прианодната област на йонизационната камера, в зависимост от напрежението, приложено между споменатия електрод и анода, количеството електрони с характеристични стойности на енергията се определят чрез обработване на измерената зависимост на тока на допълнителния електрод от приложеното напрежение.

Известен е йонизационен детектор за определяне на състава на газови примеси в основен газ [5],

66623 В1 включващ напълнена с указания газ йонизационна камера с поне един анод и един катод, свързани с източник на енергия за създаване стационарна на газоразрядна плазма между тях. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на йонизационната камера се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на електродите или стените да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия. В прианодната област на плазмата на йонизационната камера има допълнителен електрод, включен в измерителна система за регистрация на тока през този електрод в зависимост от напрежението, приложено между него и анода. Измерителната система е изпълнена с възможност за определяне на количеството електрони с характеристични стойности на енергията, възникващи при йонизация на посочените примеси.

Недостатъци на този метод за определяне на състава на газови примеси в основен газ и йонизационен детектор за неговото осъществяване са: разположението на допълнителния електрод е в прианодната област, където концентрацията на йонизиращите частици - метастабилните атоми е по-малка от тази в прикатодната област на отрицателното тлеещо светене, с което се намалява чувствителността на детектора, особено при високи налягания, когато катодния слой е много тънък и сензора може да попадне в областта на Фарадеевото тъмно пространство, изолиращите стени на йонизационната камера са в съприкосновение с катода, анода и допълнителния електрод, което води до намаляване на времето на живот на прибора поради натрупването на разпратен материал, осъществяващ контакт между електродите.

Техническа същност на изобретението

Методът за анализ на примеси в газове се състои се в това, че в йонизационна камера се създава стационарна газоразрядна плазма ограничена от катод, анод и стени. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на камерата се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на анода или стените на камерата да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия. Основният газ е инертен при налягания от 10 Ра до 10⁵ Ра. Измерва се тока през поне един допълнителен регистриращ електрод - сензор в зависимост от сканиращо напрежение, приложено между сензора и анода. Сканиращото отрицателно напрежение се отчита от потенциала на плазмата и се изменя в диапазон от 0 до -25 V. Зависимостта на сензорния ток от приложеното напрежение - волтамперната характеристика се диференцира числено или електронно. По получените максимуми в първата или във втората производна на волтамперната характеристика - функцията на разпределение на електроните по енергии, се определя количеството електрони с характеристични енергии, възникващи при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на примесите с метастабилните атоми на основния газ. По параметрите на тези електрони се определя състава на примесите. Сензорът е разположен в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, където плазмата е с най-висока концентрация на възбудени и заредени частици, а полето е малко. От друга страна сензорът е разположен на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала и значително разпрашване на катода. Катодът, анодът и сензорът са разположени в близост до стените на йонизационната камера, без да се опират в тях. При движението си в еквипотенциалната, нелокална плазма на отрицателното тлеещо светене, характеристичните електрони не изменят съществено енергията си и попадат на сензора с енергия, каквато са получили при създаването си. Това води до повишена чувствителност и точност на анализа и увеличено време на живот на прибора.

При използването на мрежест анод в йонизационната камера, разположен между катод и сензор, като катодът, анодът и сензорът имат плоска форма и са разположени паралелно едни на други, се получава по-нататъшно подобрение на еквипотенциалността на плазмата между анода и сензора, където протича дифузията на изследваните характеристични електрони. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на йонизационната камера се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до повърхността на сензора или стените на камерата да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те

66623 В1 губят зададена част от кинетичната си енергия. Мрежестият анод е разположен на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала. Подобрената еквипотенциалност на плазмата между анода и сензора позволява да се повиши разделителната способност на прибора.

При използването на множество, N на брой, идентични независими тлеещи разряди в йонизационната камера, може да се снеме волт-амперната характеристика едновременно за множество еквидистантни стойности на сканиращото напрежение. Това се осъществява с помощта на множество набори плосък катод, мрежест анод и сензор. Във всеки набор мрежестият анод се разполага между катода и сензора. Катодът, анодът и сензорът имат плоска форма и са разположени паралелно един на друг. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите на всеки набор и стените на йонизационната камера се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата на всеки индивидуален разряд до повърхността на сензора или стените на камерата, да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия. Всеки мрежест анод е разположен на такова разстояние от повърхността на съответния катод, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала. На всеки от сензорите се подава индивидуална стойност на отрицателното сканиращо напрежение по отношение на анодите и се измерва тока през всеки от сензорите. По съвкупността от измерените токове през сензорите се намира количеството електрони с характеристична енергия, възникващи при Пенингова йонизация на атомите и молекулите на примесите, и се определя състава на примесите по параметрите на тези електрони. Това позволява да се увеличи скоростта на анализа N пъти.

При използването на твърд, проводящ материал, от който се изработва катода в йонизационния детектор, може да се анализира химичния състав на твърдия материал. В резултат на разпрашване под действието на газоразрядната плазма, атомите му се получават като примес в основния газ. Анодът е мрежест и се разполага между катод и сензор. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на йонизационната камера се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до повърхността на сензора или стените на камерата да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия. Мрежестия анод е разположен на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала. Така може да се анализира състава и на твърди вещества, например метали и сплави.

Йонизационният детектор за реализиране на метода за анализ на примеси в газове, се състои от напълнена с основен инертен газ и примеси йонизационна камера, включваща катод, анод и стени. Катодът и анодът са свързани с източник на постоянно напрежение, създаващ стационарна газоразрядна плазма. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите се избират така, че да се изпълнява условието за формиране на нелокална плазма между катода и анода. В прикатодната област на йонизационната камера, най-малко в близост до една от стените й е поставен регистриращ електрод - сензор, включен в измерителна схема за регистрация на тока в зависимост от напрежението, приложено между сензора и анода. Измерителната система има възможност за определяне на количеството електрони с характеристични енергии, родени при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на споменатите примеси. Сензорът е разположен в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала и значително разпрашване на катода. Катодът, анодът и сензорът са разположени в близост до стените на йонизационната камера, без да се опират в нея. Йонизационният детектор е с повишена на чувствителност и точност на анализа и увеличено време на живот на прибора.

При използването на плоски катод и анод, разположени паралелно един на друг налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите се избират така, че да е изпълнено условието за формиране на нелокална плазма между катода и анода. Сензорът се разполага в прикатодната част на отрицателното тлеещо светене, на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемния заряд, където има значителен пад на потенциала

66623 В1 и значително разпрашване на катода. Катодът, анодът и сензорът са разположени в близост до стените на йонизационната камера, имаща форма на паралелепипед, без да са в съприкосновение с нея. Така се постига прост вариант за изпълнение на йонизационната камера.

При използването на мрежест анод, разположен между катод и сензор, като катодът, анодът и сензорът имат плоска форма и са разположени паралелно едни на други, разрядът се ограничава от катода, сензора и стените на камерата. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите се избира така, че да е изпълнено условието за формиране на нелокална плазма между катода и сензора. Мрежестия анод е разположен на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, кьдето има значителен пад на потенциала. Катодът, анодът и сензорът са разположени в близост до стените на йонизационната камера, без да са в съприкосновение с нея. Такава конструкция позволява да се повиши разделителната способност на прибора.

При използването на множество идентични набора от катод, мрежест анод и сензор - N на брой, в йонизационната камера се образуват множество независими разряди. В този случай волт-амперната характеристика се получава в резултат на едновременното измерване на N на брой еквидистантни стойности на сканиращото напрежение. Във всеки набор мрежестият анод е разположен между катода и сензора. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите на всеки набор и стените на йонизационната камера се избират така, че да е изпълнено условието за формиране на нелокална плазма във всеки индивидуален набор от катод, анод и сензор. Всеки мрежест анод е разположен на такова разстояние от повърхността на съответния катод, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, кьдето има значителен пад на потенциала. Сензорите са съединени със съответното рамо на делител на напрежение, по отношение на анодите. На всеки от сензорите се подава индивидуална стойност на сканиращото отрицателно напрежение по отношение на анодите, през делител от резистори и с помощта на допълнителен източник на напрежение. По този начин скоростта на анализа се увеличава N пъти.

При използването на катод, изработен от твърд проводящ материал, може да се анализира състава на този материал поради разпрашването му в газоразрядната плазма. За тази цел на повърхността на твърдия образец се оформя плоска повърхност, служеща като катод. Сензорът представлява плосък електрод, като паралелно на него, между катода и сензора се разполага мрежест анод. Налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите се избира така, че да е изпълнено условието за формиране на нелокална плазма между катода и сензора. Мрежестият анод е разположен на такова разстояние от повърхността на катода, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, кьдето има значителен пад на потенциала. Това позволява да се анализира състава и на твърди вещества, например метали и сплави.

Описание на приложените фигури

На фигура 1 е показана блок-схема на йонизационен детектор за анализ на примеси в газове и напречен разрез на йонизационната камера, в която са разположени плоски анод, катод и сензор.

На фигура 2 е показана графиката на разпределението на електричния потенциал в плазмата между катода и анода.

На фигура 3 е показана блок-схема на йонизационен детектор за анализ на примеси в газове и напречен разрез на йонизационната камера, в която са разположени плоски катод, мрежест анод и сензор.

На фигура 4 е показана графиката на разпределението на електрическия потенциал в плазмата между катода и сензора.

На фигура 5 е показана блок-схема на йонизационен детектор за анализ на примеси в газове и напречен разрез на йонизационната камера, в която са разположени множество набори от катод, мрежест анод и сензор.

На фигура 6 е показана блок-схема и напречен разрез на йонизационен детектор за определяне на състава на твърд проводящ образец, разпрашван под въздействието на постояннотоков газов разряд.

Примери за изпълнение на изобретението

Съгласно едно примерно изпълнение, йонизационният детектор за анализ на примеси в газове (фигура 1) се състои от йонизационна камера 1, изработена от изолационен материал, например стъкло, напълнена е основен газ и примеси, в която са разположени успоредно един на друг плоски катод 2

66623 В1 и анод 3, свързани със захранващ блок 10, служещ за запалване и поддържане на стационарен тлеещ разряд. Съгласно условието за формиране на нелокална плазма [6], налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на камерата 1 се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на анода 3 или стената на йонизационната камера 1 да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните П_п до момента, в който те губят предварително зададена част от кинетичната си енергия. Това условие налага ограничение за разстоянието Ь между катода 2 и анода 3, и има вида: Ь < 1_т.. Практически това условие води до къс тлеещ разряд обхващащ, само катодните му области - катодният пад на потенциала, отрицателното тлеещо светене и Фарадеевото тъмно пространство.

В прикатодната част на отрицателното тлеещо светене, близко до стените на камерата е разположен регистриращ електрод - сензор 4, включен в измерителна схема за регистрация на тока в зависимост от напрежението, приложено между сензора 4 и анода 3, т. е. на волт-амперната характеристика на сензорната верига. За целта, сензорът 4 е свързан през измерителен резистор 11 със цифрово аналогов преобразувател 12, а също така и е аналогово цифров преобразувател 13. Анодът 3 също е свързан с цифрово аналоговия преобразувател 12. Цифрово-аналоговият преобразувател 12 и аналогово цифровият преобразувател 13 са свързани с компютър 14.

Измерителната система има възможност за определяне на количеството електрони е характеристични енергии, създадени при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на изследваните примеси.

Анализът на примеси в основен газ се осъществява чрез анализ на енергетичния спектър на електроните, възникващи при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на изследваното вещество с метастабилни атоми на основния газ, например, хелий. Създадените при Пенингова йонизация характеристични електрони имат уникална енергия за всеки атом или молекула. Измерването на енергията и количеството на създадените електрони с характеристични енергии се осъществява чрез регистрирането им от сензора 4 при попадането им върху него. Регистрацията им се свежда до измерване на приноса им в тока през сензорната верига, в зависимост от приложеното напрежение на сензора.

Получената волт-амперна характеристика носи важна информация за частиците на примесния газ. Тя се обработва по различни известни методи, например чрез пряко числено диференциране с използване, при необходимост, на различни известни процедури на изглаждане на данните или чрез използване на различни електронни схеми, използващи модулация на приложеното напрежение и със слаб променлив сигнал ΔΤΓ с честота ω, с последващо синхронно детектиране на честота ω за получаване на първата производна или на честота 2ω за получаване на втората производна. Получената след диференциране крива дава зависимостта на първата или втората производна на тока в сензорната верига от приложеното на сензора отрицателно напрежение. Тази зависимост представлява функцията на разпределение на електроните по енергии, характеризираща се с наличието на максимуми, съответстващи на характеристичната енергия на електроните, създадени при Пенингова йонизация на примесния газ. По параметрите на тези електрони се определя състава на изследваните примеси.

Приносът на електроните с характеристична енергия в интервала 2 - 14 еВ в сензорния ток може да се отдели и измери, поради това, че потенциалът на плазмата в такива условия е близък до потенциала на анода, а температурата на основната част от електрони в плазмата е около 1 еВ и спада експоненциално в областта на високите енергии. Групите електрони с характеристична енергия не изпитват забележими изменения на първоначалната си енергия (тъй като полето между анода и сензора е слабо) и формират наблюдаваните във функцията на разпределение на електроните по енергии максимуми, по които се определя състава на газовата смес.

Като основен газ се използва инертен газ, тъй като инертният газ не влиза в химични реакции с примесите и не изкривява резултатите от качествения и количествен анализ. Освен това метастабилните атоми на инертния газ имат енергии достатъчни за Пенингова йонизация на болшинството химични съединения, което позволява, при създаване на газоразрядна плазма в инертния газ, метастабилните му атоми да се използват като частици с определена енергия за йонизация на примесите.

Захранващият блок 10 осигурява постоянно отрицателно напрежение на катода от порядъка 200 600 V, а анодът е заземен.

66623 В1

Волт-амперната характеристика на сензорната верига се измерва чрез измерване на тока между сензора 4 и анода 3, по пада на напрежението на измерителния резистор 11, включен в тази верига, в зависимост от приложеното напрежение и. Напрежението върху резистор 11, чиято стойност трябва да бъде достатъчно малка за да не изкривява волт-амперната характеристика на сензора, се усилва с помощта на електронни схеми и се получава споменатата волт-амперна характеристика. Например, напрежението от измерителния резистор 11 се подава на входа на усилвателя с аналогово цифров преобразувател 13 и по-нататък в компютъра 14 за натрупване и обработка на данните. Компютърът командва цифрово аналоговия преобразувател 12, от чийто изход се подава отрицателно сканиращо напрежение на сензора 4 в диапазон от 0 до -25 V (от порядъка на прага на йонизация на хелия).

Измерителната система на йонизационния детектор работи по следния начин: компютърът 14 дава стартиращ сигнал за сканиращото отрицателното напрежение на цифрово аналоговия преобразувател 12, което през резистора 11 се подава на сензора 4 и протича ток през сензорната верига. Същевременно компютърът 14 измерва пада на напрежение върху резистора 11 с помощта на аналогово цифровия преобразувател 13. След това компютърът 14 установява нова стойност на напрежението на цифрово аналоговия преобразувател 12. Този процес се повтаря циклично, данните от аналогово цифровия преобразувател 13 се сумират и осредняват от компютъра 14 за всяка фиксирана стойност на напрежението на цифрово-аналоговия преобразувател 12 и по такъв начин се измерва волт-амперната характеристика в сензорната верига.

Разпределението на потенциалите в йонизационната камера е показано на крива 15 (фигура 2). В областта на катодния слой на обемен заряд между катода 2 и равнина 9 (фигура 1) падът на потенциала е голям, докато в плазмата на отрицателното тлеещо светене и Фарадеевото тъмно пространство - между равнината 9 и анода 3 полето е слабо и тази област може да се разглежда като еквипотенциална. При движението си в тази област характеристичните електрони не изменят съществено енергията си и попадат на сензора 4 с енергия, каквато са получили при създаването си. Концентрацията на йонизиращите частици, в случая метастабилните атоми, е най-голяма в прикатодната част на отрицателното тлеещо светене близко до равнината 9 и съответно концентрацията на създадените характеристични електрони също е най-висока.

Ето защо събиращият електроните електрод - сензорът 4 е разположен в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, където концентрацията на възбудени и заредени частици е максимална и падът на потенциала е малък, като сензорът 4 е на такова разстояние от повърхността на катода 2, при което попада извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала и значително разпрашване на катода 2.

Дебелината на нормалния катоден пад на потенциала е известна практически за всички газове или може да бъде определена експериментално за всяко конкретно измерване. При високи налягания дебелината на отрицателното тлеещо светене е малка и сензорът лесно може да се окаже във Фарадеевото тъмно катодно пространство, където концентрацията на метастабилни атоми е по-малка.

Катодът 2, анодът 3 и сензорът 4 са разположени в близост до стените на йонизационната камерата 1, без да се опират в тях, с цел да се избегне късо съединение между електродите от натрупвания разпратен материал, като с това се повишава времето на живот на йонизационния детектор.

На задната повърхност на катода 2 и анода 3 са поставени изолатори за ограничаване на разряда, не са посочени на фигура 1.

Методът и йонизационният детектор за анализ на примеси в газове се основават на следния модел на физически процеси, протичащи в плазмата на детектора.

При взаимодействие на атоми или молекули на примес А с частици В*, имащи определена енергия на възбуждане Е_т протича Пенингова йонизация на атомите или молекулите на примеса с образуване на характеристични електрони е, когато енергията на възбуждане на частиците В* е достатъчна за това:

А + В —> А⁺ + В + е (1)

На фигура 1 са показани схематично родените при Пенингова йонизация характеристични електрони 5 и йони на примесния газ 6, а също и атомите на основния газ 7. Като частици с определена

66623 В1 енергия Е_т могат да се използват метастабилните атоми 8 на основния газ. В резултат на реакция (1) характеристичните електрони имат кинетична енергия Е_е равна на:

Е = Е - Е. ‘ (2) където Е е потенциала на йонизация на атома или молекулата на анализирания примес.

Метастабилните атоми 8 се образуват в стационарна нискотемпературна газоразрядна плазма, създавана в йонизационната камера 1 между катода 2 и анода 3, където като основен газ се използва инертен газ, например хелий. Катодът 2 и анодът 3 са разположени в близост до стените на йонизационната камера 1 (фигура 1).

Отношението на концентрациите на основния газ и анализираните примеси трябва да бъде такова, че основната част от метастабилни атоми да принадлежи на атомите на инертния газ. Тъй като времето на живот на метастабилните състояния е голямо в сравнение с другите възбудени състояния на атомите на газа, то главен източник на йонизации на примесите в плазмата чрез реакция (1) са метастабилните атоми на основния газ с известна енергия Е_га. Хелиевите метастабилни атоми имат енергии 19.8 еВ и 20.6 еВ, които са достатъчни за йонизация на всички атоми и молекули с изключение на неона. Разликата от 0.8 еВ между енергиите на тези две метастабилни състояния може да дава две групи характеристични електрони с такава разлика в енергиите за всеки примес. Използването на неона като основен газ също може да е целесъобразно, тъй като той има две метастабилни състояния с разлика между енергиите им от 0.1 еВ и за всеки примес може да дава две групи характеристични електрони с посочената разлика в енергиите, което позволява да бъдат разглеждани като едно ниво и да се опрости идентификацията на примесите. Останалите инертни газове също имат метастабилни състояния с висока стойност на Е . Използването им като основен газ също може да е целесъобразно от гледна точка на енергията на техните метастабилни състояния, подходяща за йонизация на някои примеси, тяхната химическа стабилност, достатъчна разпространеност и запазване на газообразното им състояние в широк диапазон от температури. Освен това, инертните газове се състоят само от атоми, а техните най-ниски възбудени нива имат достатъчно високи енергии. В този случай електроните, образуващи се чрез реакция (1), ще изпитват само еластични удари с инертния газ в йонизационната камера, което слабо изменя тяхната енергия Е_е, поради това, че при един еластичен удар електронът губи енергия δ « 1.

От физиката на плазмата е известно [6], че при стационарен режим на горене на нискотемпературна газоразрядна плазма, между катода 2 и границата на катодния слой 9 пада практически цялото приложено напрежение V, както е показано на кривата 15 от фигура 2. При това бързите електрони, осигуряващи възбуждане и йонизация на атомите на газа, и по такъв начин поддържането на плазмата, получават енергията си при преминаване на тази част на разряда и имат хомогенно разпределение по енергии. Същевременно, потенциалът на пространството в йонизационната камера, от границата на катодния слой 9 до анода 3 е практически постоянен, затова всички характеристични електрони, образувани при йонизиращи удари по реакция (1) в тази област ще имат фиксирана кинетична енергия по отношение на потенциала на анода 3 на йонизационната камера.

Според предлаганото изобретение, налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените се избират така, че разстоянието от произволна точка вътре в плазмата до електродите или най-близката стена на камерата 1 да не превишава средната дължина на преместване на характеристичните електрони до момента, в който те губят предварително зададена част от кинетичната си енергия. Условията в споменатата нискотемпературна плазма също се избират така, че влиянието на междуелектронните удари да е малко. Характеристичните електрони се движат хаотично в еквипотенциалното пространство на йонизационната камера, изпитвайки главно еластични удари с атомите на основния газ докато не попаднат на анода 3 или на някоя от стените на камерата 1, където изчезват (рекомбинират). При еластичен удар на електрон с атом на основния газ електрона губи част от кинетичната си енергия равна на 2_т/М_ь, където т е масата на електрона, а М_ь е масата на атома на основния газ. Например, за хелия 2_т/М_ь е около 0.0001, затова електрона губи само около 1% от своята енергия при 100 еластични удара. Дължината на свободния пробег на електрона за еластичен удар е:

Ь =1/(Ν„-σ) (3) където 1Ч_Ь е концентрацията на атомите на основния газ, σ, е сечението за еластичен удар на елек8

66623 В1 трона с атомите на основния газ.

За различните газове тези сечения са известни и са от порядъка на ~10¹⁶ ст². След всеки удар, електронът преминава средно разстояние Ь_е и случайно мени направлението на движението си, като Браунова частица. Според известното уравнение на дифузията, Брауновата частица след η удара ще премине разстояние Ь_е · λ’η от началната точка. Така, електронът ще загуби, например, 1 % от енергията си, премествайки се в хелий на разстояние десет дължини на свободен пробег (10 . Ь.) спрямо точката, където е станала йонизацията. Да въведем ниво на загубите на енергията на електроните δ_Ε, равно на отношението на загубената енергия към първоначалната. Ако в разглеждания случай за хелий δ_Ε е 1%, то конфигурацията на йонизационната камера трябва да бъде такава, че минималното разстояние 1 от произволна точка в камерата до една от стените или до електродите, да не е по-голямо от Π_η = 10.Ь_е, при избраната концентрация на хелия като основен газ. В общия случай, стойността на 1_тт се пресмята с използване на конкретни стойности на т/М_ь, а_е, Ν₆ и избраното ниво на загуби δ_Ε, а за 1 е изпълнено условието

1<Ι_ηίη = (δΜ/ηι)^//2 /Ν_ύ.σ (4)

Така, при изпълнение на условието (4) формата на йонизационната камера може да бъде избрана достатъчно произволно, тъй като плазмата заема целия обем между електродите. Също така при изпълнението на условието (4) разрядът е къс, т.е. не се образува положителен стълб. Затова един от целесъобразните варианти на камерата е паралелепипед, две от противоположните стени на който са разположени на разстояние Ь = 1 и представляват електродите 2 и 3. По такъв начин „мъртвия обем” (там където не протича анализ на газа) на йонизационната камера е минимален. Условието (4) не налага ограничения на напречните размери на електродите 2 и 3, и тези размери могат да бъдат много по-големи от Ь. По такъв начин електроните ще попадат на анода 3 или на стените на йонизационната камера без да успеят да загубят част от своята енергия, по-голяма от зададената δ_Ε. За работата на йонизационната камера при атмосферно налагане на основния газ хелий, разстоянието между електродите трябва да е около 0.1 тт. Напречните размери на електродите (и тяхната площ) се избират така, че при наличната плътност на тока от електрони, образуващи се при йонизация на примесите, сумарния ток на сензора да е достатъчен за неговата надеждна регистрация с известните електронни схеми. Също така от условието (4) и от условието за възможността за запалване на газов разряд следва, че работния диапазон на налягания може да бъде от 10 до 10⁵ Ра и повече.

Добре е известно, че плазмата екранира външно електрично поле, което прониква вътре в плазмата само на разстояние равно на Дебаевския радиус [6]:

^=7^/(6^-^) (⁵) където Ν, е концентрацията на електроните. Ако в прикатодната област близко до стените на камерата се постави допълнителния електрод - сензор 4 и към него се приложи отрицателно напрежение и по отношение на анода 3, не по-голямо от потенциала на йонизация на основния газ , то по-голямата част от напрежението и ще падне в слой с дебелина от порядъка на Ь_п около сензора 4. Затова полето в слоя около плоския електрод 4 е хомогенно, а самият електрод 4 не нарушава еквипотенциалността на пространството, където се раждат характеристичните електрони. Сканирайки и и измервайки волтамперната характеристика, може да се анализират характеристичните електрони по енергии.

При хаотичното си движение в еквипотенциалното пространство характеристичните електрони 5(а) и 5(6) на фигура 1 попадат в близост до сензора 4, съхранявайки практически своята първоначална кинетична енергия, получена в момента на йонизацията, тъй като според условие (4) електрона изчезва на електродите или на стените още преди момента, в който той губи определена част от своята енергия. Влитайки в хомогенното електрично поле в близост до сензора 4, електронът се движи под някакъв случаен ъгъл спрямо вектора на това поле и започвала се забавя. Съгласно уравненията на движение в хомогенно електрично поле при даден отрицателен потенциал и на електрода 4, електронът (например 5(а) на фигура 1), имащ достатъчно кинетична енергия Е_е и вектор на скоростта, лежащ в някакъв конус около вектора на полето, достига до повърхността на електрода 4 и дава своя принос в сензорния ток.

66623 В1

В противния случай електронът (например 5(6) на фигура 1) се отразява от отблъскващия потенциал на сензора 4 и се връща назад в еквипотенциалното пространство, а после може да повтори опита си да попадне на сензора 4 или в крайна сметка, да изчезне на анода 3 или на стените на йонизационната камера 1. Ако електронът, намирайки се вече в споменатото електрично поле изпита еластичен удар с атом на основния газ, то абсолютната стойност на неговата енергия не се изменя, а може само по случаен начин да се измени направлението на вектора на скоростта му. Така, даже и при еластични удари в слоя около сензора 4, случайния характер на разпределението на ъгъла между вектора на скоростта на електроните и вектора на полето ще се запази. Разпределението на електроните по скорости в еквипотенциалното пространство на йонизационната камера може да се опише с определена функция на разпределение Ρ(ν), където ν е модула на скоростта на електроните. При това Ρ(ν) άν съответства на броя на електроните, имащи скорости в диапазона от ν до ν + άν. В частност функцията на разпределение определя концентрацията на електроните, родени при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на примеса с потенциал на йонизация Е_;. Интегрирайки по всички стойности на енергията на електроните и по всички ъгли на влитане в хомогенното електрично поле на слоя (считайки разпределението на електроните по ъгъл на влитане за равномерно поради случайния характер на „блуждаенията” в еквипотенциалното пространство), ще се получи волт-амперната характеристика - зависимостта на електронния ток I през плоския електрод 4 от приложеното напрежение и и от вида на функцията Ρ(ν) (например [6]):

1е = оо •Ν_β·8· /

72е(//т ν ·Ρ(ν) -(1 - -άν т-ν (6) където е е заряда на електрона, а δ е площта на сензора 4.

Токът от положителните йони през сензора 4 се определя от произведението на площта на слоя около сензора 4 и от плътността на дифузионния поток на тези йони на границата на слоя. Повърхността на електрода 4 трябва да бъде достатъчно гладка, така че дебелината на слоя да бъде достатъчно малка в сравнение с локалния радиус на кривина на повърхността на електрода. В такъв случай електрическото поле в слоя ще бъде хомогенно, а площта на слоя практически не зависи от приложеното напрежение и. При това, токът от положителни йони и бързи електрони на сензора 4 практически не зависи от и и техния принос в тока може да бъде изваден от резултантната волт-амперна характеристика на сензора.

Токът между сензора 4 и анода 3, в зависимост от приложеното напрежение и, се измерва с известни методи, например по пада на напрежението на резистора 11, включен в тази верига. Напрежението на резистора 11, чиято стойност трябва да бъде достатъчно малка за да не изкривява волт-амперната характеристика на сензора, се усилва с помощта на известни електронни схеми и се строи споменатата волт-амперна характеристика. Измервайки волт-амперната характеристика в диапазона от приложени напрежения от 0 до потенциала на йонизация на атомите на основния газ и решавайки уравнението (6) може да се намери функцията на разпределение на електроните по енергии Ρ(ν) и количеството на тези електрони, които са възникнали при Пенингова йонизация на даден примес. Например, диференцирайки два пъти по и израза (6), получаваме:

Р(^2еи/т)

4т у. (1²1е е² 8·Νί άυ² (7)

Следователно, два пъти диференцирана измерената волт-амперна характеристика дава крива, състояща се от максимуми, всеки от които съответства на група електрони, родени при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на даден примес. Енергията на тези електрони Е_е се определя от уравнение (2), като Е₍ се определя от положението на съответните максимуми в скалата на приложеното напрежение и между електродите.

Сега да разгледаме ролята на бързите електрони, които се образуват при стационарно горене на разряда и получават своята енергия при ускорението си в катодния слой (между катода 2 и равнината 9).

66623 В1

Тяхната функция на разпределение по енергии представлява „стъпало”, имайки практически постоянна стойност в диапазона от 0 до Е_т, а по-нататък много бързо пада. Затова приноса на тези електрони в тока през сензора 4 слабо зависи от и и техния принос при диференцирането на формула (7) ще бъде равен на нула.

Така, максимумите в зависимостта Ρ(ν) ще дават информация именно за характеристичните електрони, образуващи се в реакция (1), които представляват интерес.

По положението на наблюдаваните максимуми и съответната стойност на Е_; може да се идентифицират примесите в основния газ. При използване на известните скоростни константи за Пенингова йонизация к_и на идентифицираните примеси с метастабилните атоми на основния газ и стойността на тока I от електрони с енергии Е_т - Е., могат да се определят парциалните концентрации на примесите Ν, в случай на плоско паралелни анод и катод от уравнението:

Ν_ό = Ι_εά/(β·Α · (8).

където А е безразмерен коефициент, зависещ от геометрията на сензора 4. Концентрацията на метастабилните атоми Ν_η може да се определи по известните спектроскопични методи (например по метода на поглъщане на спектрални линии). М_т може да се определи по измерената волт-амперна характеристика по стойността на тока от електрони 1_е2 родени при Пенингова йонизация в резултат на удар между два метастабилни атома и въз основа на уравнението:

Ν„ = ^ЦА-е^-ЗЬ) (9) където к₂ е константа на ударна йонизация между два метастабилни атома.

Абсолютните концентрации на примесите може да се получат също така, добавяйки известен примес със зададена концентрация Ν_ρ към изследваната смес и сравнявайки токовете от електрони, образуващи се при йонизация на съответните примеси е използване на уравнение (8):

Ν_α = Ν_ρ{ Ι_βά / 1_ер к_ш ) (10)

Съгласно друго примерно изпълнение на йонизационния детектор за анализ на примеси в газове (фигура 3), в йонизационната камера 1 паралелно на катода 2 е разположен регистриращ електрод сензор 4. Между катода 2 и сензора 4 е разположен анод 3, представляващ проводяща на мрежа. Катодът 2, мрежестият анод 3 и сензорът 4 имат плоска форма.

Съгласно условието за формиране на нелокална плазма, налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на камерата 1 се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на сензора 4 или стените на йонизационната камера 1 да бъде по-малко от средната дължина на преместване на електроните 1_т._п до момента, в който те губят предварително зададена част от кинетичната си енергия Това условие налага ограничение за разстоянието Ь, между катода 2 и сензора 4 и има вида - Ь, < 1_т;п. Така сензорът е разположен в нелокална плазма.

Мрежестият анод 3 е разположен на такова разстояние от повърхността на катода 2, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд (между катода 2 и повърхността 9), където има значителен пад на потенциала. Разпределението на потенциалите в йонизационната камера е показано на крива 15(а) (фигура 4).

Катодът 2, анодът 3 и сензорът 4 са разположени в близост до стените на йонизационната камера 1 без да се опират в тях. На задната повърхност на катода 2 и сензора 4 са поставени изолатори за ограничаване на разряда, непосочени на фигура 3.

Сензорът 4 е свързан през измерителен резистор 11 с цифрово-аналогов преобразувател 12, а също така и с аналогово-цифровия преобразувател 13. Мрежестият анод 3 е свързан също е цифрово-аналоговия преобразувател 12. Цифрово-аналоговият преобразувател 12 и аналогово-цифровият преобразувател 13 са свързани с компютъра 14.

Между катода 2 и мрежестия анод 3 се прилага напрежение V за запалване и поддържане на стационарен тлеещ разряд от захранващия блок 10. Към сензора 4 е включена измерителна схема за

66623 В1 регистрация на тока в зависимост от напрежението, приложено между сензора 4 и анода 3, т. е. на волтамперната характеристика през сензорната верига. Цифрово-аналоговият преобразувател 12 осигурява сканиращо напрежение и в диапазона от 0 до -25 V.

Измерителната система, изпълнена по начини, аналогични на описаните горе, дава възможност за определяне на количеството електрони с характеристични енергии, създадени при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на изследваните примеси. По параметрите на тези електрони се определя състава на изследваните примеси.

Конфигурациите на електродите 2,3 и 4 могат да бъдат достатъчно произволни при изпълнение на условието за формиране на нелокална плазма, обаче оптимален е вариантът, при който те имат плоска форма и са разположени паралелно един на друг.

Анодът 3, представляващ проводяща мрежа, разположена между катода 2 и сензора 4, позволява дифузията на характеристичните електрони до сензора 4. При тази конфигурация на електродите, електроните и йоните се движат в пространство, близко до еквипотенциалното между мрежестия анод 3 и сензора 4, и в последствие в хомогенното електрично поле на плазмения слой около сензора 4 - крива 15(а) (фигура 4). Границата на слоя около сензора 4 е обозначена с 16.

Известно е също така, че освен бързите и характеристичните електрони, в разглежданата плазма основна група са бавните електрони, при това тяхната температура Т_е в при анодната област на плазмата има стойност от порядъка на 0.05 еВ. Ако геометричните размери на прианодната област са много поголеми от Ь_о (5), то създаването на характеристични електрони в основната част на тази област става в условията на еквипотенциалност, а нееднородността на потенциала има стойност от порядъка на Т,. При този вариант също е приложима формула (7) за намирането на броя характеристични електрони попадащи на сензора 4, възникващи при Пенингова йонизация на атоми или молекули на примесите, по сондовата волт-амперната характеристика.

Съгласно друго примерно изпълнение на йонизационния детектор за анализ на примеси в газове (фигура 5) в йонизационната камера 1 са разположени множество - N на брой идентични набора от плоски катоди 2, мрежести аноди 3 и сензори 4, образуващи N на брой идентични независими стационарни разряди.

Налягането на основния газ и разстоянието Е между катода 2 и сензора 4 на всеки набор се задава от условието за формиране на нелокална плазма - Е < 1_тт. Всеки мрежест анод е разположен на такова разстояние от повърхността на съответния катод, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала. Катодите 2, анодите 3 и сензорите 4 са разположени в близост до стените на йонизационната камера 1 без да се опират в тях.

Всеки катод 2 е включен чрез индивидуален баластен резистор 17 към захранващия блок 10, с цел гарантирано запалване на стабилен тлеещ разряд около всеки катод. Всичките мрежести аноди 3 се свързват един с друг и с положителния полюс на захранващия блок 10. Сензорите 4 са свързани през измерителните резистори 11 и през делител на напрежение, образуван от резистори 18 с цифровоаналоговия преобразувател 12. На делителя на напрежение е подадено напрежение от 25 V от допълнителен източник на напрежение - батерия 19. Анодите 3 също са свързани с цифрово-аналоговия преобразувател 12 и с положителния полюс на батерията 19. Измерителните резистори 11 са свързани с аналогово-цифровия преобразувател 13. Цифрово-аналоговият преобразувател 12 и аналогово-цифровият преобразувател 13 са свързани с компютъра 14.

На всеки от сензорите 4 се подава индивидуална стойност на сканиращото напрежение и през делителя от резисторите 18 с помощта на батерията 19. Напрежението на отместване на делителя се подава от цифрово аналоговия преобразувател 12. От резисторите 11, включени към аналогово-цифровия преобразувател 13 и компютъра 4 се снемат индивидуални стойности на сензорния ток, а след това, чрез компютъра 14 се установява нов цикъл. Това позволява да се снеме волт-амперната характеристика едновременно за N еквидистантни стойности на сканиращото напрежение Ц, което може да бъде важно за повишаване на скоростта на анализа в различни приложения, например в газовата хроматография. Обработката на сензорната волт-амперна характеристика се осъществява по начини, аналогични на описаните горе начини.

66623 В1

Съгласно друго примерно изпълнение на йонизационния детектор за анализ на примеси в газове, като примес се анализират атомите на материала на катода. На фигура 6 е показано как може да бъде анализиран химичния състав на материала на твърд проводящ образец. За получаване на атомите на твърдия образец 20 се използва разпрашването му под въздействието на стационарен газов разряд, като той е включен като катод 2 в йонизационния детектор. За тази цел на повърхността на твърдия проводящ образец 20 се оформя плоска повърхност 21 (например с помощта на фреза), играеща роля на катод 2 и върху нея се поставя корпуса на анализатора 22, изработен от диелектрик 23. В корпуса на анализатора 22 е поставен правоъгълният електрод - сензор 4 с плоско чело, насочено към повърхността на катода 2, а паралелно на него, между катода 2 и сензора 4 е поставен мрежестият анод 3 с изолатори 24. Противоположното чело на сензора 4 е покрито с изолатор 25, през който са прокарани изолирани електрически изводи 26 и 27, излизащи извън корпуса на анализатора 22.

Налягането на основния газ и разстоянието Ц между плоската повърхност на твърдия образец 20 (катода 2) и сензора 4 се задава се от условието за формиране на нелокална плазма - Ц < 1_тю. Мрежестият анод 3 е разположен на такова разстояние от повърхността на катода 2, при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има значителен пад на потенциала.

Отвън корпуса на анализатора 22, включително и повърхността на площадката 21, са покрити с метална обвивка 28. Краят на корпуса на анализатора 22, прилежащ към площадката 21 може да съдържа еластична гарнитура от гума или пластмаса за осигуряване на херметичен контакт между корпуса 22 и образеца 20. Към корпуса на анализатора е включен резервоар с основен газ 29 през редуцир-вентил 30. Основният газ, например хелий, неон или аргон се подава при подходящо повишено налягане в корпуса на анализатора 22, осигуряващо продухване на промеждутъка между мрежестия анод 3 и площадката 21 на образеца (катода 2) и излиза навън през отвор 31 в корпуса на анализатора 22, както е показано със стрелки. При това от промеждутъка между мрежестия анод 3 и площадката 21 атмосферните газове се изтласкват от потока на основния газ, който има необходимата за това скорост на протичане. Този поток от основния газ също така пречи на обратното попадане на атмосферни газове в споменатия промеждутък.

Между мрежестия анод 3 и катода 2, чиято роля се изпълнява от площадката 21 в изследвания образец 20, се запалва стационарен газов разряд с помощта на захранващия блок 10, така че плътността на тока в разряда да е достатъчна за създаване на необходимата за детектиране концентрация на разпратени атоми на образеца в промеждутъка между сензора 4 и площадката 21. При това, на сензора 4 се подава сканиращо напрежение и с отрицателна полярност от цифрово-аналоговия преобразувател 12, а с помощта на резистора 11, усилвателят с аналогово-цифровия преобразувател 13 и компютъра 14 се измерва зависимостта на тока от напрежението. Компютърът 14 управлява също така и захранващия блок 10 и редуцир-вентила 30. Обработката на сензорната волт-амперна характеристика се осъществява по начини, аналогични на описаните горе начини.

След включването на потока на основния газ и след запалването на стационарния разряд с помощта на захранващия блок 10 в течение на известно време се провежда почистване на площадката 21 от адсорбираните атмосферни газове и замърсяванията, внесени от инструмента при изработването на площадката 21, а след това започва измерването на волт-амперната характеристика. Тъй като цифрово-аналоговият преобразувател 12 и аналогово-цифровият преобразувател 13 се намират под високо напрежение по отношение на заземения корпус на анализатора 22 и образеца 20, то за тези електронни схеми се осъществява необходимото галванично развързване (например оптоелектронно или трансформаторно) на веригите за включване към компютъра 14.

Приложение на изобретението

Методът и йонизационният детектор за анализ на газови смеси намират приложение при екологичния мониторинг, контрола на газовата среда в различни технологични и производствени процеси, откриване на опасни и взривни вещества в системите за безопасност, в медицината, енергетиката и др. Те могат да бъдат използвани както като самостоятелно средство за анализ, така и в газовите хроматографи, анализатори на състава на твърди образци, включително сплави.

Claims (10)

1. Патентни претенции

   1. Метод за анализ на примеси в газове, състоящ се в това, че в йонизационна камера се създава стационарна газоразрядна плазма, ограничена от катод, анод и стени, като налягането на основния инертен газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на камерата се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на анода или стените на камерата е по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия, а основният инертен газ е при налягания от 10 до 10⁵ Ра, определя се количеството електрони с характеристични енергии, възникващи при Пенингова йонизация на атомите или молекулите на примесите с метастабилните атоми на инертния газ - Не, Νβ и др., и по параметрите на тези електрони се определя състава на примесите, като се измерва тока през поне един допълнителен електрод, поставен в прианодната област на йонизационната камера най-малко на една от стените й, в зависимост от сканиращо отрицателно напрежение, приложено между този електрод и анода и количеството електрони с характеристични енергии се определя при обработка на измерената зависимост на тока през допълнителния електрод от приложеното напрежение, характеризиращ се с това, че допълнителният регистриращ електрод - сензорът (4) се разполага в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, където плазмата е с най-висока концентрация на възбудени и заредени частици, а полето е слабо и на такова разстояние от повърхността на катода (2), при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има силно поле и значително разпрашване на материала на катода (2).
2. 2. Метод за анализ на примеси в газове съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че в йонизационната камера (1) се създава стационарна газоразрядна плазма между катода (2) и анода (3), ограничена от стените на камерата (1), катода (2) и сензора (4), а анодът (3) представляващ проводяща мрежа, разположена между катода (2) и сензора (4), позволява дифузията на характеристичните електрони в еквипотенциалното пространство между анода (3) и сензора (4), като налягането на основния инертен газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на камерата се избират така, че разстоянието от произволна точка в плазмата до най-близката повърхност на сензора (4) или стените на камерата (1) е по-малко от средната дължина на преместване на електроните до момента, в който те губят зададена част от кинетичната си енергия, при което сензорът (4) е разположен в нелокална плазма, а мрежестият анод (3) е разположен на такова разстояние от повърхността на катода (2), при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има силно поле.
3. 3. Метод за анализ на примеси в газове съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че в йонизационната камера (1) са разположени множество идентични изолирани един от друг тлеещи разряди между катода (2) и мрежестия анод (3), като анодът (3) е разположен между катода (2) и сензора (4), а на всеки от сензорите (4) се подава индивидуална стойност на сканиращо отрицателно напрежение по отношение на анодите (3), и се измерва тока през всеки от сензорите, като по съвкупността от измерените токове през сензорите (4) се намира количеството електрони с характеристична енергия, възникващи при Пенингова йонизация на атомите и молекулите на примесите, и се определя състава на примесите по параметрите на тези електрони.
4. 4. Метод за анализ на примеси в газове съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че анализираният газ представляват атомите на твърд, проводящ материал, включен в детектора като катод (2), чиито атоми се разпрашват под действието на газоразрядна плазма, като между катода (2) и сензора (4) е поставен мрежестия анод (3).
5. 5. Йонизационен детектор за анализ на примеси в газове, състоящ се от напълнена с основен газ и примеси йонизационна камера, включваща катод, анод и стени, като катодът и анодът са свързани с източник на постоянно напрежение, а налягането на основния газ и пространствената конфигурация на електродите и стените на камерата се избират така, че да се изпълнява условието за формиране на нелокална плазма между катода и анода, като в прианодната област на йонизационната камера, наймалко на една от стените й е поставен допълнителен електрод, свързан през измерителен резистор с цифрово-аналогов преобразувател и с аналогово-цифров преобразувател, а анодът също е свързан с цифрово-аналоговия преобразувател, като цифрово-аналоговият преобразувател и аналогово-цифро14

   66623 В1 вият преобразувател са свързани с компютър, характеризиращ се с това, че регистриращият електрод - сензор (4) е разположен в прикатодната част на плазмата на отрицателното тлеещо светене, на такова разстояние от повърхността на катода (2), при което е извън областта на катодния слой на обемен заряд, където има силно поле и значително разпрашване на катода (2).
6. 6. Йонизационен детектор за анализ на примеси в газове съгласно претенция 5, характеризиращ се с това, че катодът (2), анодът (3) и сензорът (4) са разположени в близост до стените на йонизационната камера (1) без да се опират в тях.
7. 7. Йонизационен детектор за анализ на примеси в газове съгласно претенция 5 и 6, характеризиращ се с това, че катодът (2) и анодът (3) имат плоска форма и са разположени паралелно един на друг, а сензорът (4), имащ също плоска форма е разположен в близост до една или няколко стени на йонизационната камера (1), имаща форма на паралелепипед.
8. 8. Йонизационен детектор за анализ на примеси в газове съгласно претенции 5, 6 и 7, характеризиращ се с това, че катодът (2), анодът (3) и сензорът (4) са разположени паралелно едни на други, като анодът представлява проводяща мрежа, разположена между катода (2) и сензора (4).
9. 9. Йонизационен детектор за анализ на примеси в газове съгласно претенции 5, 6 и 8, характеризиращ се с това, че в йонизационната камера (1) са разположени множество идентични набора, над 20 броя, от катод (2), мрежест анод (3), и сензор (4), образуващи множество независими разряди, при което анодите (3) са свързани един с друг и с източника на постоянно напрежение (10), катодите (2) също са свързани през баластни резистори (17) с източника на постоянно напрежение (10), а всеки от сензорите (4) е свързан със съответното рамо на делител на напрежение (18), подадено от допълнителен източник на напрежение (19).
10. 10. Йонизационен детектор за анализ на примеси в газове съгласно претенции 5,6 и 8, характеризиращ се с това, че при анализ на състава на проводящ твърд образец, твърдият образец (20) се включва като катод (2), а в корпуса на детектора (22) е поставен правоъгълен електрод - сензор (4) с плоско чело, насочено към повърхността на катода (2), като паралелно на него, между катода (2) и сензора (4) е поставен мрежестия анод (3).