CN110146588A - 一种用于分析气体中杂质的电离探测器及其运行方法 - Google Patents

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CN110146588A CN201910465225.7A CN201910465225A CN110146588A CN 110146588 A CN110146588 A CN 110146588A CN 201910465225 A CN201910465225 A CN 201910465225A CN 110146588 A CN110146588 A CN 110146588A
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姚静锋
周忠祥
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Abstract

本发明公开了一种用于分析气体中杂质的电离探测器及其运行方法。电离腔室包括阴极板、阳极板、绝缘壁面和检测电极，阴极板和阳极板相对平行设置，且阴极板和阳极板与临近的绝缘壁面垂直，检测电极相对设置于临近阳极板的绝缘壁面上，直流电源的负极极与阴极板连接，直流电源的正极同时与阳极板和数模转换器的另一端连接，检测电极与电阻器的另一端连接。本发明能实现接近大气压下的直流微放电等离子体，在高气压下能够对杂质气体或金属进行分析。与脉冲放电产生的余晖等离子体相比具有结果稳定性高、电子测量系统要求低的特点。不需要具有纳秒级别的触发电路。

Description

一种用于分析气体中杂质的电离探测器及其运行方法
技术领域
本发明属于仪器设备制造领域，特别是涉及一种用于分析气体中杂质的电离探测器及其运行方法。
背景技术
对混合物电离时形成的一些离子进行质谱分析，可确定其化学成分，这就是普遍为大众熟知的气体混合物分析方法(示例请参阅美国专利，专利号：7544233,7294197,6831276,6590207)。利用荷质比分离并测量离子电流，可以定性定量地确定气体混合物成分。该项所申报的发明专利的整体特征是，在电离腔内实现混合物的电离。其他类似方法的缺点是必须采用大尺寸的质谱分析器，并保证设备内部高真空度，从而使不同荷质比的离子沿着特定轨道飞行到探测器。如果无法保持高度真空，则离子与残余气体发生碰撞并偏离既定轨道，导致散射。
目前常用的测试方法(例如，T.A.Carlson.Photoelectron and AugerSpectroscopy.Plenum,NewYork,1975.)，该气体混合物化学成分测试方法基于如下事实：可以测得由气体电离而产生的电流和电子动能，而激发粒子的能量是固定的，尤其是光子。根据已知光子能量与被测量的电子动能之差能得到一个气体分子或原子电离势能，根据这些信息可以分析混合物成分。光电子的能量分布与已知的光电离截面同样也可以确定所分析混合物各组分的空间分布。该项所申报的发明专利整体特征是，利用电离腔中气体混合物中的光子实现电离，并且根据被撞击出的电子能量的测量结果鉴定这些组分，因为分子或原子的电离势可以通过已知的光子能量和被测量的电子动能之差来确定。但这种方法的缺点是，必须采用大尺寸的能谱分析器，并保证设备内部保持高真空度，从而使不同动能的电子沿特定轨道飞行到探测器上。如果无法保持高度真空，则离子与残余气体发生碰撞并偏离既定轨道，导致散射。
一些确定气体中杂质的方法，是基于测量在气体被激发时电离电流变化的原则(Wentworth et al.美国专利5317271；Zhu et al.美国专利5192865；Wentworth et al.美国专利5153519；Simon et al.美国专利5578271；Stearn et al.美国专利5532599)。这些方法要求的探测器尺寸比较小，可以在不同压力状态下(从高压一直到标准大气压)运行，这些所申报的发明的整体特征是，杂质原子或分子与带一定能量的粒子(亚稳态氦原子)碰撞时，会在电离腔室内发生电离，测量特定腔体中电极上不同电压的电流，根据整体的电子电流确定是否存在杂质。这种方法的缺点是，他们只能发现在主要气体中出现了杂质，但无法对杂质的分子或原子进行鉴定，更不能确定其空间分布。
已知一种测量气体混合物的方法(A.A.Kudryavtsev,A.B.Tsyganov.中华人民共和国专利ZL200380106502.2“用于实施所述方法的气体分析方法和电离检测器”,发布于2009年2月25日)，这种方法可以通过测量在脉冲气体放电余辉中，杂质发生电离时形成的电子能量确定气体中的杂质，选脉冲气体放电作为原型。该项所申报的发明专利的整体特征是，产生气体放电的等离子体，由阴极、阳极、以及壁面所束缚，选择气体压强与电极结构使得放电室内部任意一点到最近阳极或极板表面的距离都小于电子平均自由程的70倍，通过确定特定能量的电子数量，这种电子在混合物中特定的原子和分子发生电离时才会产生，最后再根据这些电子的参数判断混合物的成分。这一方法的缺点在于，使用脉冲模式产生气体放电，以及相应的脉冲运行模式信号记录系统，会使测量变得更复杂。相比于直流放电等离子体，脉冲测量方法会降低测量的准确性。
利用下列这种分析气体混合物成分的方法中解决既定的任务，(中华人民共和国专利ZL200380106502.2“气体分析方法和实施所述方法的电离探测器”)。这可以作为一种原型，这种方法创造了由阴极、阳极和极板限制的气体放电等离子体，主要气体压强、电极和壁面结构的选择使得等离子体内任意一点到阴极或极板最近表面上的距离小于电子平均自由程的70倍，由这些电子就可判断该杂质原子或分子。根据该项发明专利，等离子体保持稳定，利用至少一个额外的电极，在该电极上加不同的电压并测量电流，该电压是电极与阳极的电势差。特征能量的电子(在5-14eV的区间内)对电子电流的贡献(能量来源于气体混合物组分电离化的过程中)可以分离并测量，电子能量分布函数的主要部分电子温度约为0.1eV，并且在高能量区域指数下降。特征能量值的电子群组之间可以相互独立(不会由于运动时在边界处发生碰撞而发生位置改变的情况)，同时在极板上保留自身完整的能量(动能)[ChengxunYuan et al.Physics ofPlasmas,25,104501,(2018)]，可以在分布函数的特征能量处产生可观测的峰值，并由此得到混合气体的组成成分。
该发明专利能达到的技术结果类似于文中提到的发明(气体混合物成分的测量方法以及用于分析气体中杂质成分的电离探测器)，该发明切实简化了用于气体放电电源以及记录模块的电子系统，降低了设备成本，同时提升了气体混合物定性与定量分析的快捷性，准确性及灵敏性。与脉冲工作模式不同，本发明使用全部放电时间测量特征电子能谱。这些参数十分重要，例如，使用该发明专利进行气体色谱分析。
但该方法采用的脉冲放电测量方法在测量余晖等离子体结果时稳定性差，电子测量系统要求高，测量较为不便。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的电离探测器体积大，而采用脉冲放电测量方法的探测器在测量余晖等离子体结果时稳定性差，电子测量系统要求高，从而提出了一种用于分析气体中杂质的电离探测器及其运行方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种用于分析气体中杂质的电离探测器，包括检测系统、电离腔室和直流电源，所述检测系统包括电阻器、模数转换器、计算机和数模转换器，所述模数转换器与所述电阻器并联，所述电阻器的一端与所述数模转换器的一端连接，所述模数转换器与计算机连接，所述计算机与数模转换器连接，
所述电离腔室包括阴极板、阳极板、绝缘壁面和检测电极，所述阴极板和阳极板相对平行设置，且所述阴极板和阳极板与临近的绝缘壁面垂直，所述检测电极相对设置于临近所述阳极板的绝缘壁面上，所述直流电源的负极与所述阴极板连接，所述直流电源的正极同时与所述阳极板和所述数模转换器的另一端连接，所述检测电极与所述采集电阻器的另一端连接，
进一步的，当所述电离探测器处于使用状态时，所述电离腔室中注有惰性气体。
进一步的，所述惰性气体为氦气或氩气。
进一步的，当所述电离探测器处于使用状态时，所述电离腔室中的气压值为10-104Pa。
进一步的，所述阴极板和阳极板为圆形平面高纯度金属板。
进一步的，所述电离腔室为密闭腔室。
一种用于分析气体中杂质的电离探测器的运行方法，应用于上述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其步骤为：
S100在电离腔室中按比例注入气体混合物，所述气体混合物包括杂质气体和惰性气体；
S200通入直流电压，使所述电离腔室内保持稳定的直流电流辉光放电等离子体，并产生较大区域的负辉区等离子体；
S300所述杂质气体的原子或分子在和惰性气体的亚稳态原子或分子碰撞时被电离，产生具有所述杂质气体原子或分子特征的具有特定动能的高速电子；
S400在所述检测电极中施加设置的电压值，检测系统根据所述采集电阻器的电压值记录流经所述检测电极的电流值；
S500所述检测系统通过测量出不同电压值所对应的电流值得到等离子体诊断中的I-V曲线，并由电流对电压二阶导数确定等离子体电势。
S600所述检测系统通过等离子体电势重新进行I-V曲线测量，电压值相对于等离子体电势为0-25V，重复二阶导数计算得到对应的电子能谱，由特定能量处的峰值确定所述杂质气体原子或分子的浓度。
进一步的，在步骤S200中，阴极板和阳极板通入直流电压后，所述电离腔室内形成稳定的直流高气压等离子体。
本发明的有益效果在于：实现接近大气压下的直流微放电等离子体，在高气压下对杂质气体或金属进行分析。与脉冲放电产生的余晖等离子体相比具有结果稳定性高，电子测量系统要求低。不需要具有纳秒级别的触发电路。由于结构为示意图描述，并不影响真实应用和设计。可以按照图中结构集成在微电路中。
附图说明
图1为本发明的一种用于分析气体中杂质的电离探测器的径向剖面图；
图2为电离腔室的径向剖面图；
图3为N组件构成的电离探测器框图的径向剖面图；
图4所示为电离分析器的径向剖面框图。
其中，1(a)为漂移到检测电极附近的特征电子，1(b)为被检测电极排斥的特征电子，2为杂质离子，3为惰性气体的原子，4为亚稳态原子，5为阴极板，6为阳极板，7为绝缘壁面，8为阴极负辉区，10为检测电极，11为采集电阻器，12为模数转换器，13为计算机，14为数模转换器，15为直流电源，17为导电网格，18为等离子层边界，19为电阻器，20为分压电阻器，21为补充恒压电源，22为固体导电试样，23为平面平台，24为分析器，25为电介质，26为圆形平面电极，27为平滑阳极网格，28为第一绝缘体，29为第二绝缘体，30为采集电阻器输入端，31为阳极输入端，32为金属外壳，33为气体贮存器，34为阀门，35为与外界相通的孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本发明提供了一种用于分析气体中杂质的电离探测器，包括检测系统、电离腔室和直流电源15，所述检测系统包括电阻器11、模数转换器12、计算机13和数模转换器14，所述模数转换器12与所述电阻器11并联，所述电阻器11的一端与所述数模转换器14的一端连接，所述模数转换器12与计算机13连接，所述计算机13与数模转换器14连接，
电离腔室包括阴极板5、阳极板6、绝缘壁面7和检测电极10，阴极板5和阳极板6相对平行设置，且阴极板5和阳极板6与临近的绝缘壁面7垂直，检测电极10相对设置于临近阳极板6的绝缘壁面7上，直流电源15的负极与阴极板5连接，直流电源15的正极同时与阳极板6和数模转换器14的另一端连接，两块附加电极10同时与采集采集电阻器11的另一端连接，
在本部分优选实施例中，当电离探测器处于使用状态时，电离腔室中注有惰性气体。
在本部分优选实施例中，惰性气体为氦气或氩气。
在本部分优选实施例中，当电离探测器处于使用状态时，电离腔室中的气压值为10-104Pa。
在本部分优选实施例中，阳极板6为高纯度圆形金属板。
在本部分优选实施例中，电离腔室为密闭腔室。
本发明还提供了一种用于分析气体中杂质的电离探测器的运行方法的一实施例，应用于上述实施方式提出的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其步骤为：
S100在电离腔室中按比例注入气体混合物，所述气体混合物包括杂质气体和惰性气体；
S200通入直流电压，使所述电离腔室内保持稳定的直流电流辉光放电等离子体，并产生较大区域的负辉区等离子体；
S300所述杂质气体的原子或分子在和惰性气体的亚稳态原子或分子碰撞时被电离，产生具有所述杂质气体原子或分子特征的具有特定动能的高速电子；
S400在所述检测电极中施加设置的电压值，检测系统根据所述采集电阻器的电压值记录流经所述检测电极的电流值；
S500所述检测系统通过测量出不同电压值所对应的电流值得到等离子体诊断中的I-V曲线，并由电流对电压二阶导数确定等离子体电势。
S600所述检测系统通过等离子体电势重新进行I-V曲线测量，电压值相对于等离子体电势为0-25V，重复二阶导数计算得到对应的电子能谱，由特定能量处的峰值确定所述杂质气体原子或分子的浓度。
在本部分优选实施例中，在步骤S200中，阴极板和阳极板通入直流电压后，所述电离腔室内形成稳定的直流高气压等离子体。
具体的，所申报的气体分析方法的实施与电离探测器所采取的技术手段主要基于下列的量化的物理模型，对这模型的细节理解并不限制对发明专利本质特征的广泛理解。
B*粒子与杂质原子或分子A碰撞时，且B*粒子含有一定的能量Ep，如果B*粒子的能量足够高的话，则会发生杂质原子或分子的电离，产生含有特征能量的电子
图1中概括地描绘了在这些碰撞中形成的特征电子1和杂质离子2，以及惰性气体的原子3。例如，可以将主要气体(也可以称之为缓冲气体)亚稳态原子4作为具有具体能量Ep的粒子。在(1)的反应中，特征电子获得的动能Ee为：
Ee＝Ep-Ei (2)
这里的Ei是指所分析的杂质或混合物的原子和分子的电离势能。
亚稳态原子4在电离腔室中阴极板5和阳极板6之间的静态低温气体放电等离子体中产生，此时将惰性气体作为主要气体(缓冲气体)，如氦气。图1中展示的电离腔室壁面7，垂直于阴极板5和阳极板6，这些壁面为阳极和阴极提供绝缘介质。阴极板5和阳极板6的外表面(一直到电导线)由绝缘介质包裹，不过为了图的整洁性，图1中没有画出。
主要气体与杂质比例应该保持一定范围，可以是5％以下，实验中最低有到0.2％，理论上可以更低，到百万分之几。
使缓冲惰性气体的亚稳态原子占所有亚稳态原子的大多数。因为与其他被激发的气体原子相比，亚稳态状态的活性时间很长，所以依靠反应(1)中等离子体中杂质电离的主要碰撞粒子是带已知能量Ep的缓冲气体亚稳态原子。氦气这样的原子亚稳态具有的能量为19.8和20.6(电子伏特)，这足够电离除了氖气之外的所有已知原子和分子的杂质。也可以使用氩气作为缓冲气体分析金属物质。因为，氦气质量小，无法溅射产生足够浓度的金属原子，利用氩气可以较容易溅射出金属原子。这在金属分析中非常重要。
其他惰性气体也具有高能量Ep的亚稳态。如果从其亚稳态能级的角度来看，惰性气体用作主要气体是比较合理的，另外一些优点是：方便电离某些杂质，化学稳定性好(不会与杂质进行化学反应)，容易扩散，在较大的温度范围内保持气态。此外，惰性气体只有原子构成，其低能级激发能量相当高。这样，在反应(1)中电离仅仅经历弹性碰撞，Ee仅仅改变很少的能量，因为在一次弹性碰撞时电子丢失的能量为δ＝2m/M＜＜1。
从等离子体物理学中可以得知，在低温气体放电等离子体静态放电时，阴极板5和区域8的边界之间的等离子体承当了几乎全部的压降V，如图1中的曲线9所示。同时，在微放电(没有阳极柱)情况下，电离腔室从阴极负辉区8的边界到阳极板6的空间势能几乎是恒定的，而电场强度很低(接近0)，因此所有在反应(1)中电离碰撞中形成的电子相互之间互不影响且携带特征能量，它们在极板上都保存了自身完整的能量(动力势能)。
本发明选择主要缓冲气体的压强以及电极和极板的空间结构，以便使等离子体内部任意一点到阴极板5和阳极板6或者最近的绝缘壁面7的距离，不超过特征电子在其动能在达到规定比例的损耗之前的平均自由程。在低温等离子体中选择这样的条件，是为了使电子间碰撞的影响降到最低。此时特征电子会在电离腔室等势能空间中以偶然地方式进行运动，主要经历了与缓冲气体原子的弹性碰撞，直到运动到阴极板5和阳极板6或者其中一块绝缘壁面7的表面并湮灭(复合)。当电子与缓冲气体发生弹性碰撞时，电子会丧失自己一部分的动能，相当于m/Mb，这里的m为电子的质量，而Mb为缓冲气体原子的质量。例如，对于氦气，m/Mb大约为0.0001，因此电子经过100次弹性碰撞后失去大约1％的能量。与弹性碰撞相关的平均自由程Le等于：
Le＝1/(Nb·σe) (3)
其中，Nb是指缓冲气体原子的密度；σe是指电子与缓冲气体弹性碰撞的碰撞截面。
各种气体的碰撞截面是已知的，气体动力学尺寸的数量级大约为～10-10см2。在每次发生碰撞之后电子经过平均自由程Le，然后随机改变运动方向，就像布朗粒子那样。根据已知的扩散公式，布朗粒子在经过n次碰撞后距离原始起点的平均距离为这样一来，若电子丢失1％的能量，则氦气中电子移动的平均距离相当于10个平均自由程(10·Le)，距离是相对于发生电离的起始点而言的。我们引入电子能量损失为δE，该能量等于所损失的能量与初始能量的比值。如果考虑氦气的情况，δE等于1％，则电离腔室的结构应该设计成，腔室内任意一点到其中一层壁面或电极的最小距离l的数值lmin不超过10·Le，此时所选择的氦气浓度用作缓冲气体。
整体来说，lmin的计算采用具体的数值m/Mb,σe,Nb以及所选择的δE，l满足下列条件：
这样的话，在遵循条件(4)的基础上，电离腔室的形状可以任意选择，因为气体放电等离子体在电极之间所占的体积是十分自由的。同样在完成条件(4)的要求时，放电是微放电，也就是说阳极正柱区没有形成。因此对于电离腔室的设计问题，其中一种较为合理的方案是设计成圆柱形，直径L＝lmin，并且同时上述的阴极板5和阳极板6也是圆形。这样的话可以使电离腔室的“死角体积”(也就是说无法进行气体分析的位置)降至最小值。对于大气压下在进行电离腔室中气体放电，如氦气为缓冲气体，电极之间的距离应该大约为0.1mm。这种方式选择电极的距离(相应地，还选择它们的面积)，目的是在有杂质电离产生电流时，通过已知的电子线路足以对电极的总电流进行可靠记录。
同时，根据公式(4)的条件以及点燃气体放电的条件来看，工作压力的范围可以是10-104Pa或者更高。
众所周知，等离子体会屏蔽外部电场，该电场穿透等离子体的距离大约为德拜半径的长度
其中，Ne为是指电子密度，Te代表等离子体电子温度。
同样已知的是，在阴极负辉区等离子体中有快电子和特征电子，主要电子群的温度大约为0.05eV。如果阴极区域大于德拜长度LD，则弱电场条件下产生主要的特征电子，电势差在电子温度的量级。如果在辉光放电等离子体内(在阴极辉光区域)放置检测电极10(例如将其固定在一个或者一些绝缘壁面7上)，并且将相对阳极板6的负偏压U加到检测电极10上，其中电压不超过气体电离势，则大部分的压降U出现在厚度大约为LD的检测电极10附近。因此，检测电极10是平板状的，附近的这层电场是均匀的，而检测电极10本身不会破坏产生特征电子的空间的弱电场性质。扫描电压U并测量电压电流特性曲线，可以利用电子能量分布分析特征电子，后面将解释相关问题。
图1中1(а)和1(b)所示，在弱电场空间中偶然“激发”的特征电子会运动到电极10的周围，并且几乎保留着自身在电离过程中获取的初始动能，根据公式(4)的条件，电子在电极或壁面上消失，也就是通俗来讲的“退出游戏”，甚至在它失去自身能量大部分之前就已经湮灭在电极上。电子漂移到检测电极10附近的均匀电场上，会以一个随机角度偏离这个电场的矢量方向减速移动。根据在均匀电场中的运动方程，在这种检测电极10的负偏压为U的条件下，参照图1中的1(a)，有足够动能Ee，速度矢量沿电场方向为锥形的电子能达到电极表面，增加电流。另外，参照图1中的1(b)，电子被所测量的检测电极10排斥，倒退回弱电场空间，而然后再一次运动到检测电极10，或者最终在电离腔室的阳极板6或者绝缘壁面7上湮灭。
如果电子已经位于既定的电场，且该电子与缓冲气体原子弹性碰撞，则该电子的绝对能量值一定不会改变，只有速度矢量方向偶然改变。因此，如果检测电极10周围的电子有弹性碰撞，那么电子速度矢量和电场矢量之间的角度分布任意。等势空间的电子速度分布可以用F(v)表示，其中v是电子速度标量。F(v)相当于速度在v到v+dv范围内的电子数。电子速率分布函数决定了具有杂质原子和分子(电离能为Ei)电离的电子密度组成。均匀电场(假定电子在弱电场空间的运动角度除定向的部分电子外均各向同性)中对所有的电子能量以及角度积分，则可以得到平面电极上的电流与电压的关系。由F(v)的形式可以得到：
针对测量电极的电流的表达将呈如下形式：
这里的Ik(r)＝βkNm(r)NA(r)，是源于加速电子的形成，加速电子是由于反应(1)而形成，Rk(w)是指反应(1a)产生的加速电子反应形成的源密度，Rk(w)被的条件标准化。βk是由于反应过程(1)而形成的加速电子的反应速率常数；Nm(r)是反应过程(1a)中亚稳态原子B的密度；NA(r)是反应过程(1)中中性原子A的密度；S是指测量电极工作表面的面积。
检测电极10的离子电流由电极附近的电离决定，由电极层的边界处离子通量密度决定。检测电极10的表面应该足够光滑，目的是电子层的厚度与局部表面曲率直径相比相对较小。这种情况下，电子层的电场是均匀的，而电子层的面积几乎不取决于所施加的电压U。这样一来，正离子的电流与检测电极10上的加速电子电流同样几乎不取决于电压，这些快电子的分布可以从探测器最终的所给的电压电流特性曲线得到。
流经检测电极10的电流取决于所施加的电压，用已知的方法进行测量，例如，根据采集电阻器11上的电压降，这里的采集电阻器是指在该电路中处于闭合状态的电阻。从采集电阻器11上记录的电压应该足够小，以防止影响探测器的电压电流特性，借助已知的电子线路放大并得到规定的电压电流特性。例如，从采集电阻器11上记录的电压反馈到带有模数转换器12的放大器输入端，由计算机13收集并处理数据。数模转换器14同时也接入该计算机，在检测电极10加预置负偏压(相对于等离子体电势)，范围为0V-25V(大约为氦气原子电离阈值)。直流电源15以提供恒定负极电压大约在200-600之间，该部件主要用于点燃低温等离子体并向其静态放电提供电源，如图1所示。使用已知的模数转换器12和数模转换器14电子线路。
测量系统如下：计算机13利用数模转换器14实现扫描负偏压。此时计算机13可以利用模数转换器12测量采集电阻器11上的电压，然后利用数模转换器14设置新的电压。这一过程以周期的形式不断循环往复，从模数转换器12上得到的数据可使用计算机13针对每一个数模转换器14上设定的电压数值进行求和以及取平均值运算，这样就能测量得到电流电压特性曲线。电子的特征能量，即在反应(1)中杂质电离化时生成的具有特征能量的电子，根据(2)中的比例关系，特征电子能量大约在0到粒子激发态能量的范围之间，这主要取决于杂质的电离势。在所施加电压的范围之间，即从0到主要气体原子电离势能，测量电压电流特性时，通过解方程(6)，得到电子速率分布函数(相当于电子能量分布函数)，和特定杂质电离产生的电子数。寻找特征电子能谱，电子在反应(1)中生成，根据最大值所占比例确定这些电子的数量，电子可由一定数量的杂质进行电离而产生。例如求两次V的微分方程(6)，就可以得到所求结果：
从这里可以得到关于两次微分的被测量的电压电流曲线，由若干个峰值构成，每一个峰值都对应特定杂质原子或分子的特征电子群。这些电子能量Ee(以及相应峰值的位置由电极上的电压范围标度)由公式(2)得出。上述规定的二次微分可以通过几种不同的方法实现，包括直接数值计算所测量的电压电流特性的微分，必要时可以采用其他已知的数据处理程序。也可以采用很多电子线路，利用步长为ΔU频率为ω的电压调制信号，进行调制处理，在频率ω上记录电流获取一阶导数，或者在在频率2ω上记录电流获取二阶导数。
现在我们研究快电子的作用，这些电子是在静态放电等离子体中形成，并在阴极负辉区8加速获取能量(在阴极板5和阴极负辉区8之间)。其能量分布功能是呈“阶梯状”的，在0到Ep区间基本为恒定数值，而之后会很快下降。因此这些电子由电极10接收得到的电流基本不依赖于电压U，并且其在根据公式(7)进行微分时贡献几乎等于零。这样一来，F中峰值只能给出反应(1)中生成的特征电子的信息。
根据所观察到的峰值位置以及对应的Ei值，就可以鉴定主要气体中的杂质，使用已知的该杂质由缓冲气体原子电离的电离速率常数kid，以及能量为Ep-Ei的电子电流Ied，可以确定在平行的平面阴极与阳极的情况下杂质密度Nd，方程如下：
Nd＝Ied/(e·A·kid·Nm·S·L) (8)
这里的A–是指无量纲常数，取决于检测电极10的几何参数。亚稳态原子的密度Nm在这种情况下可以通过已知的光谱方法(如根据谐振吸收辐射)进行确定。也可以根据被测量的电压电流特性得出电子电流Ie2值，该电子是由于两个亚稳态原子碰撞发生电离反应时形成的，其基本方程如下：
这里的ki2–是指两个亚稳态原子碰撞电离速率常数。同时向已知的杂质中加入一定浓度的所研究的混合物，然后利用方程式(8)对比前后的电离电流，也可以得出杂质的绝对密度。
另外一种探测器的实施方案如图2所示。与上一实施例相比，本实施例的检测电极10为平板状而并非环状周向设置。同时在阴极板5和检测电极10之间布置一块导电网格17，导电网格17起到了阳极的作用。如果给导电网格17供给与检测电极10同样的势能，则它们之间的空间将会是等势空间。导电网格17与阴极板5之间是相互绝缘的，阴极板5和检测电极10的外表面同样也有绝缘体，为了方便阅读在图2中没有进行标识。在导电网格17与阴极板5之间加电压，用于点火静态辉光放电和维持静态辉光放电，此时电离腔室中势能的分布如曲线(9a)所示。在保证条件(4)的情况下，阴极板5和检测电极10的结构与导电网格17可以任意选择，不过最优方案是它们都是平面的，并且相互之间平行，间距大约为L＝lmin。检测电极10连接电压电流特性记录系统，包括采集电阻器11，模数转换器12以及数模转换器14，提供在0-25V的扫描电压U。同时，电子和离子在接近位于检测电极10与导电网格17之间的等势空间内移动，然后进入环绕检测电极10的均匀的等离子层电场中(等离子层边界用18进行标注)。这种结构可以优化等势空间，空间内可以扩散特征电子，以提升仪器设备的分辨率。利用公式(7)可以根据电压电流特性得出具有特征能量的电子数量，这种具有特征能量的电子是在杂质的原子或分子电离的过程中产生的。
参照图3所示，还有一种探测器的实施方案。也可以在真空室内装N个这样的组件，包括绝缘阴极5，起阳极作用的导电网格17，以及附加电极10，这些都在图3中有所表示。临近的附加电极10与阴极板5成对地通过电介质层进行分隔，电介质层在图3中用细线构成的阴影部分标出。每一个阴极板5都通过单独的电阻器19接入电源模块15，以保障在每个阴极周围能够进行辉光放电。所有导电网格17都相互连接，并且与直流电源模块15的正极输出端相连。对于每一个附加电极10都提供一个单独的扫描电压U，利用补充恒压电源21以及多个分压电阻器20构成的分配器来实现。由数模转换器14提供每个组件的可调节偏压。从连接模数转换器12与计算机13(图3中没有标记出)的采集电阻器11中得到电流值后，改变数模转换器14的偏移，设置新的U。这可以实现扫描电压U同时等量扫描N个电压值，得到对应的电压电流特性，本实施方案对各种附件的测量速度的提高有着重要影响，如气体色谱法。
在阴极板5，导电网格17以及一些检测电极之间也安装了电介质绝缘衬垫，这些部件为了方便阅读，在图3中不做标识。
参照图4所示，图4是适用于金属成分分析的结构，根据所提供的发明专利，可以分析固体导电试样22材料成分，该试样在固定气体放电作用下经过溅射产生杂质。为此在固体导电试样22的表面上形成平面平台23(如利用铣刀)，并且在这一区域上安装分析器24的壳体，该壳体由电介质25制成。在分析器24的壳体中安装平滑端面的圆形平面电极26，端面对着平面平台23的表面，而在端面之上平行摆放的是平滑阳极网格27，并带有第一绝缘体28。圆形平面电极26的相反端面用第二绝缘体29覆盖，绝缘体覆盖绝缘的采集电阻器输入端30和阳极输入端31穿过电极，延伸到分析器24的壳体的外部。分析器24的壳体的外部，包括与平面平台23相连用金属外壳32覆盖的表面。靠近平面平台23的分析器24的壳体的边缘可以放置一个用橡胶或塑料制成的弹性垫圈，以保证分析器24的壳体与固体导电试样22之间的密封接触。
分析器24的壳体上接入缓冲气体的气体贮存器33，装有带减速器的阀门34。缓冲气体，例如，氩气在一些剩余气压作用下供给到分析器24的壳体中，保证在平滑阳极网格27与平面平台23上的试样之间有空气流通，并通过分析器24的壳体中的与外界相通的孔35将气体排出腔体，已用箭头在图上标出。此时在网格27和表面平台23之间的间隔中的空气会被缓冲气体替代，这一气体具有一定的流速。这一缓冲气流也会防止空气回流到该间隔中。
网状阳极27和阴极之间，其中阴极由所研究的固体导电试样22中的平面平台23来充当的。在这两个阳极和阴极之间利用直流电源15进行静态气体放电，以使得放电时电流密度产生足够高的探测试样原子密度，这一试样位于圆形平面电极26和平面平台23的间隔中。同时，从数模转换器14供给圆形平面电极26扫描负偏压，利用采集电阻器11，模数转换器12的放大器以及计算机13测量得到电流与电压的关系。计算机13也会控制直流电源15以及带减速器的阀门34。开启缓冲气体气流以及利用直流电源15进行静态等离子体放电后，在一段时间内会清洁平面平台23的表面，吸收在形成平面平台23时仪器带来的大气和杂质，然后开始测量电压电流特性。因为在这一方案中，模数转换器12和数模转换器14相对于地面的分析器24和固体导电试样22都处于高压状态，所以这些电子线路在接入计算机11时，需要电流隔离电路(例如光电或者变压器)。

Claims (8)

1.一种用于分析气体中杂质的电离探测器，包括检测系统、电离腔室和直流电源(15)，所述检测系统包括电阻器(11)、模数转换器(12)、计算机(13)和数模转换器(14)，所述模数转换器(12)与所述电阻器(11)并联，所述电阻器(11)的一端与所述数模转换器(14)的一端连接，所述模数转换器(12)与计算机(13)连接，所述计算机(13)与数模转换器(14)连接，
其特征在于，所述电离腔室包括阴极板(5)、阳极板(6)、绝缘壁面(7)和检测电极(10)，所述阴极板(5)和阳极板(6)相对平行设置，且所述阴极板(5)和阳极板(6)与临近的绝缘壁面(7)垂直，所述检测电极(10)周向设置于临近所述阴极板(6)的绝缘壁面(7)内，所述直流电源(15)的负极与所述阴极板(5)连接，所述直流电源(15)的正极同时与所述阳极板(6)和所述数模转换器(14)的另一端连接，所述检测电极(10)与所述采集电阻器(11)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其特征在于，当所述电离探测器处于使用状态时，所述电离腔室中注有惰性气体。
3.根据权利要求2所述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其特征在于，所述惰性气体为氦气或氩气。
4.根据权利要求2所述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其特征在于，当所述电离探测器处于使用状态时，所述电离腔室中的气压值为10-104Pa。
5.根据权利要求1所述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其特征在于，所述阴极板(5)和阳极板(6)为圆形高纯度金属电极板。
6.根据权利要求1所述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其特征在于，所述电离腔室为密闭腔室。
7.一种用于分析气体中杂质的电离探测器的运行方法，应用于权利要求1-6提出的一种用于分析气体中杂质的电离探测器，其步骤为：
S100在电离腔室中按比例注入气体混合物，所述气体混合物包括杂质气体和惰性气体；
S200通入直流电压，使所述电离腔室内保持稳定的直流电流辉光放电等离子体，并产生较大区域的负辉区等离子体；
S300所述杂质气体的原子或分子在和惰性气体的亚稳态原子或分子碰撞时被电离，产生具有所述杂质气体原子或分子特征的具有特定动能的高速电子；
S400在所述检测电极(10)中施加设置的电压值，检测系统根据所述采集电阻器(11)的电压值记录流经所述检测电极(10)的电流值；
S500所述检测系统通过测量出不同电压值所对应的电流值得到等离子体诊断中的I-V曲线，并由电流对电压二阶导数确定等离子体电势；
S600所述检测系统通过等离子体电势重新进行I-V曲线测量，电压值相对于等离子体电势为0-25V，重复二阶导数计算得到对应的电子能谱，由特定能量处的峰值确定所述杂质气体原子或分子的浓度。
8.根据权利要求7所述的一种用于分析气体中杂质的电离探测器的运行方法，其特征在于，在步骤S200中，阴极板(5)和阳极板(6)通入直流电压后，所述电离腔室内形成稳定的直流高气压等离子体。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112326774A (zh) * 2020-10-30 2021-02-05 四川赛康智能科技股份有限公司 高能射线照射sf6气体的电离测试方法
CN114088690A (zh) * 2021-11-09 2022-02-25 哈尔滨工业大学 一种开放环境下气体杂质的分析检测装置及方法
CN114216808A (zh) * 2021-11-18 2022-03-22 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护研究所 一种气体杂质检测装置及检测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BG111131A (bg) * 2012-02-01 2013-08-30 Institout Po Fizika Na Tvurdoto Tyalo "Akademik GeИНСТИТУТ ПО ФИЗИКА НА ТВЪРДОТО ТЯЛО "АКАДorgi Nadzhakov"-Ban ЕМИК ГЕОРГИ НАДЖАКОВ"-БАН Метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове
CN102842481B (zh) * 2012-08-30 2016-04-06 昆山禾信质谱技术有限公司 一种质谱仪质量分析器内缓冲气体快速高精度连续控制方法
CN205582886U (zh) * 2014-12-11 2016-09-14 萨默费尼根有限公司 用于质谱仪的检测器系统
CN103441058B (zh) * 2013-04-12 2017-01-11 浙江大学苏州工业技术研究院 微空心阴极放电电离源整合式faims
JP2017527078A (ja) * 2014-09-04 2017-09-14 レコ コーポレイションＬｅｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 定量分析のための調整式グロー放電法に基づくソフトイオン化

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BG111131A (bg) * 2012-02-01 2013-08-30 Institout Po Fizika Na Tvurdoto Tyalo "Akademik GeИНСТИТУТ ПО ФИЗИКА НА ТВЪРДОТО ТЯЛО "АКАДorgi Nadzhakov"-Ban ЕМИК ГЕОРГИ НАДЖАКОВ"-БАН Метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове
CN102842481B (zh) * 2012-08-30 2016-04-06 昆山禾信质谱技术有限公司 一种质谱仪质量分析器内缓冲气体快速高精度连续控制方法
CN103441058B (zh) * 2013-04-12 2017-01-11 浙江大学苏州工业技术研究院 微空心阴极放电电离源整合式faims
JP2017527078A (ja) * 2014-09-04 2017-09-14 レコ コーポレイションＬｅｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 定量分析のための調整式グロー放電法に基づくソフトイオン化
CN205582886U (zh) * 2014-12-11 2016-09-14 萨默费尼根有限公司 用于质谱仪的检测器系统

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112326774A (zh) * 2020-10-30 2021-02-05 四川赛康智能科技股份有限公司 高能射线照射sf6气体的电离测试方法
CN112326774B (zh) * 2020-10-30 2024-04-23 四川赛康智能科技股份有限公司 高能射线照射sf6气体的电离测试方法
CN114088690A (zh) * 2021-11-09 2022-02-25 哈尔滨工业大学 一种开放环境下气体杂质的分析检测装置及方法
CN114088690B (zh) * 2021-11-09 2023-07-21 哈尔滨工业大学 一种开放环境下气体杂质的分析检测装置及方法
CN114216808A (zh) * 2021-11-18 2022-03-22 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护研究所 一种气体杂质检测装置及检测方法

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