ITTO20090513A1

ITTO20090513A1 - Dispositivo di campionamento per gas e apparato analizzatore di gas che impiega detto dispositivo.

Info

Publication number: ITTO20090513A1
Application number: IT000513A
Authority: IT
Inventors: Raffaele Correale
Original assignee: Varian Spa
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-01-09

Description

Dispositivo di campionamento per gas e apparato analizzatore di gas che impiega detto dispositivo Gas sampling device and gas analyzer employing the same

DESCRIZIONE

Settore della Tecnica

La presente invenzione concerne un dispositivo di campionamento per gas ed un apparato analizzatore di gas che impiega detto dispositivo.

Arte Nota

Nell’ambito dei metodi attualmente impiegati per l’analisi di sostanze, che possono essere portate allo stato gassoso in condizioni di alto vuoto, cioè a pressioni generalmente comprese fra circa 10<-2>e 10<-6>Pa, la spettrometria di massa è uno dei più frequentemente usati. Benché l’invenzione non sia limitata a questo campo di applicazione, nel seguito della descrizione si farà pertanto riferimento principalmente a questo metodo di analisi.

La spettrometria di massa è una nota tecnica analitica applicata sia all'identificazione di sostanze sconosciute, sia all'analisi di sostanze note. Il principio su cui si basa è la possibilità di separare una miscela di ioni in funzione del loro rapporto massa/carica (m/z) generalmente tramite campi elettrici o magnetici, statici o oscillanti.

Esistono modi diversi per volatilizzare e ionizzare un campione, ed esistono quindi molti tipi diversi di sorgente ionica fra cui le principali sono: sorgente EI (impatto elettronico), sorgente FAB (fast atom bombardment), sorgente electrospray, sorgente MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption and Ionization).

Una delle sorgenti più frequentemente utilizzate è la sorgente ad impatto elettronico (EI) in cui la sostanza del campione evapora spontaneamente o si trova già allo stato gassoso. Un flusso di elettroni ad energia nota colpisce le molecole del campione, che perdendo uno o più elettroni si trasformano in ioni positivi. Gli ioni sono poi accelerati da un campo elettrostatico e diretti verso l’analizzatore.

Il diagramma che riporta la concentrazione di ogni ione in funzione del rapporto massa/carica è il cosiddetto spettro di massa, tipico di ogni composto in quanto direttamente correlato alla sua struttura chimica ed alle condizioni di ionizzazione cui è stato sottoposto.

Gli strumenti impiegati nel campo della sprettrometria di massa, noti come spettrometri di massa, comprendono generalmente tre unità principali disposte in serie: sorgente di ioni (serve a volatilizzare e ionizzare il campione), analizzatore (serve a selezionare gli ioni prodotti dalla sorgente secondo il rapporto massa/carica) e rivelatore (serve a rivelare gli ioni che arrivano dall’analizzatore).

La sorgente ionica è la parte dello spettrometro di massa che ha il compito di trasformare le molecole del campione in ioni tramite il fenomeno della ionizzazione. Inoltre gli ioni prodotti devono essere liberi di muoversi nel vuoto per la misura del rapporto m/z.

L’analizzatore è la parte dello spettrometro di massa che permette di selezionare il rapporto massa/carica (m/z) degli ioni prodotti dalla sorgente. Anche questa misura può essere condotta in molti modi, ma in ogni caso è necessario che gli ioni possano muoversi liberamente nello spettrometro senza incontrare molecole di aria, ragion per cui gli spettrometri di massa sono mantenuti in condizione di alto vuoto al loro interno.

Secondo tecnica nota si distinguono principalmente analizzatori magnetici, analizzatori Omegatron (la selezione in massa viene eseguita usando un campo magnetico ed un campo RF), analizzatori a quadrupolo, analizzatori a trappola ionica (ion-trap), analizzatori FI-ICR (Fourier Transform Ion Ciclotron Resonance), analizzatori TOF (time of flight – tempo di volo), analizzatori di massa cicloidale (la selezione di massa è condotta tramite un’opportuna selezione del campo elettrico e magnetico risultante), a settore magnetico e trappola ionica, a reticolo per spettroscopia ottica (misura degli spettri di luce di emissione e di assorbimento o degli effetti dei fotoni sul campione analizzato).

Non essendo l’invenzione limitata ad un particolare tipo di analizzatore, si farà riferimento nel seguito, a titolo di esempio, ad un selettore magnetico, a quello a quadrupolo e alla trappola ionica.

L’analizzatore magnetico è costituito da un tubo curvo immerso in un campo magnetico ad esso perpendicolare. Il campo magnetico fa percorrere agli ioni una traiettoria curva. Il raggio di curvatura dipende dall’energia degli ioni in ingresso e dal campo magnetico B. Solo se la traiettoria dello ione corrisponde alla curvatura del tubo lo ione esce dall’analizzatore, se lo ione curva di più o di meno si scontra con le pareti del tubo e viene neutralizzato. Quindi, per ogni valore del campo magnetico solo ioni con un certo rapporto m/z ed una certa energia cinetica attraversano l’analizzatore, mentre gli altri vengono eliminati. Dal valore del campo magnetico e dall’energia cinetica è possibile risalire al rapporto m/z dello ione che è selezionato dall’analizzatore. In questo modo si ottiene lo spettro di massa, che è il grafico dell’intensità della corrente di ioni rivelata dal rivelatore, in funzione del rapporto m/z selezionato dall’analizzatore. In uno spettro di massa, la presenza di un picco ad un certo valore di m/z è indicativa del fatto che la sorgente sta producendo ioni con quel rapporto di m/z.

Un altro genere di analizzatore frequentemente impiegato nella spettrometria di massa è l’analizzatore a quadrupolo. In generale un quadrupolo è un dispositivo composto da quattro barre parallele di metallo. Ciascuna coppia di barre diagonalmente opposte è connessa insieme elettricamente e una tensione a RF (radio frequenza) è applicata tra un paio di barre e l'altro. Una tensione a corrente continua è quindi sovrapposta alla tensione a RF. Gli ioni oscillano durante il volo tra le barre del quadrupolo. Solamente gli ioni con un certo rapporto m/z attraversano il quadrupolo e raggiungono il rivelatore per un dato rapporto delle due tensioni: gli altri ioni entrano in oscillazione instabile e urtano contro le barre. Ciò consente la selezione di un particolare ione, oppure la scansione nel campo delle masse tramite la variazione delle tensioni.

Un ulteriore esempio di analizzatore di massa è costituito dalla trappola ionica. Basata su un principio fisico analogo a quello sfruttato dal quadrupolo, la trappola ionica trattiene al suo interno tutti gli ioni liberandoli selettivamente al variare dell'intensità di un campo elettrico oscillante.

I rivelatori sono generalmente costituiti da dinodi, cioè moltiplicatori elettronici capaci di amplificare la debolissima corrente prodotta dagli ioni che hanno superato l'analizzatore. I segnali ottenuti in questo modo vengono poi trasmessi ad un calcolatore in grado, con l'opportuno software, di rappresentare l'abbondanza di ogni ione in funzione della sua massa, cioè lo spettro di massa finale.

L'uso dei calcolatori permette inoltre di combinare rapidamente i parametri dello strumento con la ricerca bibliografica in librerie di spettri in formato elettronico, in modo da automatizzare l'identificazione dei composti in base al loro spettro ed alle condizioni operative in cui è stata condotta l'analisi.

Con riferimento alla Figura 1 è illustrato schematicamente un dispositivo spettrometro di massa secondo l’arte nota del tipo basato su una sorgente ad impatto elettronico e su un analizzatore di massa a quadrupolo. Nella figura il suddetto dispositivo è stato complessivamente indicato con il riferimento (11) e comprende una sezione di ingresso (11a), una sezione di ionizzazione (11b), una sezione di analisi (11c) ed una sezione di rivelazione (11d).

La sezione di ingresso (11a) è generalmente destinata ad essere immersa nell’ambiente da campionare, che in genere raggiunge la pressione atmosferica, dal quale il gas da campionare, o analita, entra nel dispositivo. A tale scopo la sezione di ingresso (11a) comprende sostanzialmente un tubo capillare (13) al quale è associato un riscaldatore (15), che può ad esempio consistere in una resistenza elettrica avvolta attorno al tubo capillare (13). Come noto per evitare effetti dovuti all’assorbimento/desorbimento lungo le pareti del sistema di introduzione del gas è consigliabile una scelta opportuna dei materiali ed operare ad una temperatura ragionevolmente alta, ad esempio 100 °C che consente inoltre di evitare fenomeni di condensazione dei gas.

Secondo una realizzazione tipica dell’arte nota, il tubo capillare (13) sbocca in una prima camera di transizione (17), definita all’interno di una corrispondente flangia (19), ed evacuata mediante una pompa da alto vuoto (21). La pompa (21) può ad esempio essere una pompa turbomolecolare, associata attraverso un condotto (23) in corrispondenza di una porta laterale radiale (25) e presentante la porta primaria assiale di ingresso (43), associata all’involucro (41) del dispositivo.

A valle della prima camera di transizione (17) è previsto un secondo tubo micro capillare (27), ad esempio di circa 20 µ di diametro e circa 1-2 mm di lunghezza. Il tubo micro capillare (27) comunica a sua volta con una seconda camera di transizione (29), associata alla sezione di ionizzazione (11b), in cui il gas da campionare si raccoglie a valle del micro capillare (27).

Nell’esempio illustrato la sezione di ionizzazione (11b) comprende una sorgente ad impatto elettronico in cui è definita una camera di ionizzazione (31) dotata di mezzi di ionizzazione (33), ad esempio filamenti di ionizzazione. Magneti permanenti possono inoltre essere previsti per aumentare l’efficienza della sorgente: in tal modo gli elettroni descrivono infatti traiettorie a spirale aumentando così il cammino totale all’interno della sorgente. Lenti elettrostatiche (35) sono previste a valle della camera di ionizzazione (31) nella zona di transizione fra la camera di ionizzazione (33) e la successiva sezione di analisi (11c). Nella camera di ionizzazione le molecole del campione da analizzare, in fase gassosa, interagiscono con un fascio di elettroni generato da un filamento incandescente ed accelerato attraverso un potenziale regolabile. L'energia del fascio è normalmente fissata fra circa 10 e 100 eV.

La sezione di analisi (11c) comprende un dispositivo quadrupolo (37) a valle della quale è prevista la sezione rivelatore (11d) comprende un rivelatore (39), ad esempio un rivelatore a coppa di faraday e/o un rivelatore SEM (Second electron multiplier)o un rivelatore Channeltron.

Sezione di analisi (11c) e sezione di rivelazione (11d) sono ospitate nell’involucro (41) ad una pressione generalmente dell’ordine di almeno 10<-3>Pa, ottenuta attraverso la pompa turbomolecolare (21) associata mediante la rispettiva porta primaria assiale (43).

Sono anche note nell’arte membrane a nanofori utilizzate ad esempio come dispositivi di fuga calibrata. Un esempio di questi dispositivi è descritto in US 2006/0144120. Dispositivi di questo tipo permettono la generazione di flussi controllati di gas attraverso la membrana e la quantificazione del valore delle perdite, calibrando la strumentazione necessaria per rilevarle, nelle prove di tenuta.

Come si potrà facilmente apprezzare dalla descrizione che precede di un dispositivo analizzatore di gas secondo l’arte nota, la sezione di ingresso e la sezione di ionizzazione risultano notevolmente complicate sia a causa del numero di componenti, sia per il fatto che tali componenti devono essere associati fra loro a tenuta di alto vuoto con conseguenti costi elevati di realizzazione.

I dispositivi noti devono inoltre essere equipaggiati con pompe da vuoto aventi notevole capacità di flusso dovendo assorbire il flusso in ingresso nella camera di ionizzazione, che è generalmente elevato.

Uno scopo dell’invenzione è pertanto quello di provvedere un dispositivo di campionamento per gas semplificato, che possa essere utilizzato in molteplici applicazioni e in particolare in associazione con un apparato analizzatore di gas.

Uno scopo ulteriore dell’invenzione è quello di provvedere un dispositivo di campionamento per gas, che possa essere prodotto industrialmente a costi vantaggiosi.

Questi ed altri scopi sono ottenuti con il dispositivo di campionamento per gas come rivendicato nelle unite rivendicazioni.

Descrizione dell’Invenzione

Un primo vantaggio dell’invenzione deriva dall’utilizzo di una membrana con almeno un nanoforo per la separazione dei due ambienti mantenuti in condizione di vuoto differenziale, rispettivamente ambiente esterno al dispositivo di campionamento e camera del dispositivo di campionamento. Grazie a questo accorgimento, infatti, attraverso la membrana con almeno un nanoforo si instaura una condizione di flusso molecolare già a pressione atmosferica, senza la necessità di utilizzare dispositivi complessi, come avviene invece nell’arte nota.

Il flusso molecolare che si instaura in corrispondenza della membrana con almeno un nanoforo comporta tuttavia un’alterazione della distribuzione di concentrazione di gas nella miscela di gas che penetra all’interno della camera del dispositivo di campionamento. Poiché infatti in regime molecolare il flusso di gas che fluisce all’interno della camera del dispositivo di campionamento è inversamente proporzionale alla radice quadrata delle masse, è evidente che gas più leggeri si troveranno in maggiore concentrazione all’interno di detta camera (ad esempio una maggiore quantità di elio rispetto all’argon). In molte applicazioni questa alterazione della distribuzione di concentrazione dei gas, rispetto all’ambiente di campionamento, risulta indesiderata ed occorre pertanto intervenire per ripristinare la corretta distribuzione, ad esempio mediante algoritmi di calcolo.

Vantaggiosamente, tuttavia, secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione la camera del dispositivo di campionamento prevede un foro di uscita calibrato verso l’analizzatore o filtro di massa, ad es. quadrupolo in condizioni di alto o ultra-alto vuoto, in cui permane un flusso molecolare e che determina pertanto il ristabilirsi delle condizioni corrette di distribuzione della concentrazione all’interno della camera del dispositivo di campionamento. Grazie a questo accorgimento, in questa forma di realizzazione dell’invenzione, non vi sarà pertanto necessità di correggere la distribuzione della concentrazione dei gas.

Vantaggiosamente, grazie alla scelta di una membrana avente almeno un nanoforo e preferibilmente una pluralità di nanofori (membrana a nanofori), associata alla camera di ionizzazione, numerosi componenti dei dispositivi noti possono essere eliminati. In particolare, potrebbero risultare superflui: il tubo capillare ed il relativo riscaldatore, la flangia di transizione e la relativa camera di transizione e micro capillare e le varie connessioni fra la camera di transizione e la pompa da vuoto. Quest’ultima inoltre potrà essere sostituita da una più semplice pompa ionica per alto vuoto, tenuto conto della bassa velocità di pompaggio necessaria per mantenere condizioni di alto vuoto all’interno del dispositivo, grazie alla bassa conduttanza del dispositivo secondo l’invenzione. Sarà pertanto possibile eliminare la pompa meccanica generalmente prevista nei sistemi noti e realizzare dispositivi estremamente compatti a tutto vantaggio della portabilità.

Un altro vantaggio dell’invenzione deriva dal fatto che grazie alla previsione della sola membrana con almeno un nanoforo o a nanofori, che separa i due ambienti mantenuti in condizioni di vuoto differenziale, i tempi di risposta del dispositivo di campionamento risultano estremamente rapidi, ad esempio dell’ordine del secondo o inferiori.

Il ridotto flusso di gas avrà inoltre evidenti vantaggi in particolare in presenza di gas corrosivi, che rappresentano notoriamente un problema di deterioramento nei dispositivi noti, tanto più evidente quanto maggiore è il flusso di gas che attraversa il dispositivo.

La scelta di una membrana con almeno un nanoforo o a nanofori del tipo in cui il diametro D e la lunghezza L del nanoforo o nanofori sono dimensionati in modo tale che L<20·D e che il diametro equivalente Dedell’orifizio sia De≤100nm, ove Deè definito dalla relazione De= D•a<1/2>in cui a è la probabilità di trasmissione dell’orifizio, funzione del rapporto L/D, detto orifizio essendo atto ad operare in regime di flusso molecolare in un intero intervallo di valori di Pucomprendente il valore della pressione atmosferica, comporterà inoltre una notevole riduzione della tendenza ad occludersi dei nanofori.

Descrizione Sintetica delle Figure

Una forma preferita di realizzazione dell’invenzione verrà ora descritta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento alle figure allegate in cui:

- la Figura 1 è uno schema a blocchi di un apparato analizzatore di gas secondo l’arte nota;

- la Figura 2 è uno schema a blocchi di un apparato analizzatore di gas che incorpora il dispositivo di ionizzazione secondo l’invenzione.

In tutte le figure sono stati usati gli stessi riferimenti numerici per contraddistinguere componenti uguali o funzionalmente equivalenti.

Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione

Con riferimento alla Figura 2 è illustrato schematicamente il dispositivo di campionamento secondo l’invenzione, il quale, nell’esempio illustrato, è incorporato in un apparato analizzatore di gas indicato complessivamente con il riferimento 51.

Secondo l’invenzione, il dispositivo di campionamento 53 comprende un involucro 55 a tenuta di alto vuoto all’interno del quale è definita una camera 57 a tenuta di alto vuoto dotata di un primo foro 59 (ad esempio di 2-3 mm di lunghezza) di ingresso del gas da campionare e con l’ambiente a valle della camera mediante un secondo foro 61 di uscita del gas.

Secondo l’invenzione il primo foro 59 è separato dall’ambiente esterno da una membrana 63 a tenuta di alto vuoto recante almeno un nanoforo, cioè un foro di diametro dell’ordine dei manometri (ad esempio circa 20 – 30 nm). Detta membrana 63, ad esempio con superficie quadrata di circa 100 µm di lato ed il cui spessore sarà ad esempio di circa 100 nm, è inoltre associata alle pareti della camera 57 o ad un condotto ad essa associato, mediante un accoppiamento a tenuta di alto vuoto, ad esempio un idoneo adesivo o una ghiera o guarnizione (gasket) metallica o in Viton.

La conduttanza C per un foro di diametro dell’ordine del manometro (~100 nm), che separa due ambienti mantenuti in condizione di vuoto differenziale (di cui uno a pressione atmosferica (1013 mbar) e l’altro in condizione di alto vuoto (tipicamente al di sotto di 10<-2>Pa, nell’esempio illustrato) è misurabile come:

dove A è la superficie del foro, T la temperatura del gas, R la costante dei gas ed M la massa del gas.

La concentrazione della miscela di gas nel passaggio dall’ambiente esterno alla camera 57 viene pertanto modificata secondo la formula di cui sopra (gas via via più leggeri saranno presenti in maggiore concentrazione nella camera 57).

All’interno della camera 57 il regime è tuttavia molecolare e in corrispondenza del foro calibrato 61 di uscita degli ioni verso l’analizzatore si avrà nuovamente un flusso in regime molecolare regolato ancora dalla stessa formula (gas via via più leggeri fuoriescono in maggiore quantità). Complessivamente, definendo opportunamente la dimensione del foro 61, sarà pertanto possibile ristabilire all’interno della camera 57 la stessa distribuzione di concentrazione dei vari gas che compongono la miscela di gas nell’ambiente in cui avviene il campionamento (ambiente esterno a pressione atmosferica nell’esempio illustrato).

Il foro 61 avrà pertanto un diametro dell’ordine del mm, preferibilmente compreso fra 1 e 10 mm, ad esempio 2,5 mm ed una lunghezza dell’ordine del mm, ad esempio 1 mm.

E’ noto che in una sorgente di ioni ad impatto elettronico (EI) il gas di fondo viene ionizzato secondo l’equazione:

I<+>= kf·Ie·σ·n·l

dove

Ieè la corrente di emissione del filamento;

σ è la sezione d’urto di ionizzazione;

n è la densità del gas;

l è il cammino degli elettroni all’interno della sorgente; kfè l’efficienza di raccolta degli ioni prodotti.

che può anche essere scritta come:

I<+>= Ie· K(kf,σ,l)·P(β,n)

dove K è la sensibilità della sorgente ionica che per un gauge Bayart-Alpert per l’idrogeno vale K = 25 torr<-1>(19·10<-2>Pa<-1>) e β è una costante che dipende dal tipo di gas.

Pertanto, per una corrente Ie= 4·10<-3>A ad una pressione P = 10<-7>mbar (10<-5>Pa) si avrà una corrente ionica:

I<+>≈ 10<-9>A

Se si volesse arrivare a sensibilità dell’ordine di 1 ppm si avrebbe:

I<+>≈ 10<-15>A

che corrisponde ad un ordine di grandezza misurabile ad esempio con un rivelatore Channeltron. Inoltre, essendo la corrente minima misurabile da questo tipo di rivelatori dell’ordine di 10<-19>A, in teoria sarebbe possibile raggiungere sensibilità dell’ordine di frazioni di ppb.

Con un diametro del nanoforo nella membrana 63 di circa 30 nm, ad un bar (10<5>Pa) si otterrà un flusso pari a:

Φ = 2.3·10<-8>mbar (2.3·10<-6>Pa)

Ipotizzando una conduttanza di circa 0,1 Lt/sec attraverso un foro 61 di circa 2.0 mm di diametro verso il quadrupolo, all’interno della sorgente si avrebbe una pressione totale di circa 10<-7>mbar (10<-5>Pa), che rappresenta un valore raggiungibile ad esempio con una pompa ionica tradizionale.

Sempre secondo l’invenzione la membrana 63 è del tipo atto ad essere interposto per separare due ambienti mantenuti in condizioni di vuoto differenziale ed aventi rispettive pressioni pue pd, ove pu> pd, ed in cui detta membrana 63 presenta almeno un orifizio o nanoforo atto a determinare un flusso controllato di gas dipendente dalla pressione pu, detto orifizio avendo preferibilmente un diametro D ed una lunghezza L prestabiliti tali che L < 20•D.

Ancor più preferibilmente la membrana 63 è del tipo in cui il diametro D e la lunghezza L sono dimensionati in modo tale che il diametro equivalente Dedell’orifizio sia De≤ 100nm, ove Deè definito dalla relazione De= D•a<1/2>in cui a è la probabilità di trasmissione dell’orifizio, funzione del rapporto L/D, detto orifizio essendo atto ad operare in regime di flusso molecolare in un intero intervallo di valori di Pucomprendente il valore della pressione atmosferica.

La condizione suddetta si è infatti rivelata particolarmente efficace per evitare fenomeni di chiusura (“clogging”) dovuti a contaminanti introdotti nel dispositivo a causa della sua esposizione all’aria, o originati dalla retrodiffusione di oli di pompe meccaniche utilizzate per la produzione del vuoto o altri dispositivi.

Preferibilmente, la membrana 63 è formata da materiale ceramico, metallico, semiconduttore o da una combinazione di questi, e l’orifizio è ottenuto mediante erosione con un fascio di ioni altamente focalizzato, comunemente denominato con l’acronimo FIB.

Riferendoci sempre alla Fig.2 il dispositivo di campionamento 53 è incorporato in un apparato analizzatore di gas 51 il quale comprende una sezione di ingresso 11a, una sezione di ionizzazione 11b, una sezione di analisi 11c ed una sezione di rivelazione 11d.

La sezione di ingresso 11a è destinata ad essere immersa anche in atmosfera, cioè a campionare gas a pressione atmosferica, per l’ingresso del gas da campionare o analita nel dispositivo e, secondo l’invenzione, incorpora la membrana 63.

La sezione di ionizzazione 11b comprende una camera di ionizzazione 57 ad esempio del tipo ad impatto elettronico EI ed è dotata di mezzi di ionizzazione 33, ad esempio filamenti di ionizzazione, oppure sorgenti laser o sorgenti radioattive o a ionizzazione ai plasmi statici o a radiofrequenza.

Lenti elettrostatiche 35 sono previste a valle della camera di ionizzazione 57 nella zona di transizione fra la sorgente di ioni e la successiva sezione di analisi 11c.

La sezione di analisi 11c comprende un dispositivo quadrupolo 37 e la sezione rivelatore 11d comprende un rivelatore 39, ad esempio un rivelatore a coppa di faraday e/o un rivelatore SEM (o channeltron).

Una pompa almeno da alto vuoto 21, ad esempio una pompa ionica, è prevista associata all’involucro 41 del dispositivo 51 per evacuare l’ambiente interno in cui sono ospitate la sezione di analisi 11c e la sezione di rivelazione 11d.

Vantaggiosamente, come appare evidente dal confronto con la configurazione dell’arte nota illustrata in Fig.1, secondo l’invenzione la sezione di ingresso 11a risulta ridotta sostanzialmente alla sola membrana 63 con un conseguente notevole semplificazione del dispositivo e risparmio nel costo di realizzazione.

Tale vantaggio risulta ulteriormente evidente per il fatto che secondo l’invenzione, la pompa da alto vuoto può essere ridotta ad una semplice pompa ionica, grazie al limitato flusso di molecole che attraversano la membrana 63.

Il flusso molecolare Φ, che attraversa la membrana 63 e, conseguentemente, perviene all’apparato analizzatore di gas 51 è legato alla conduttanza C mediane la relazione:

Φ = C·(pu- pd)

dove pue pdsono le pressioni rispettivamente all’esterno e all’interno della camera 57.

Le ridotte dimensioni del nanoforo (ad esempio dell’ordine dei 20 - 30 nm) e del volume della camera di campionamento 57 (ad esempio dell’ordine del cm<3>o di frazioni di cm<3>) rappresenta un notevole vantaggio dell’invenzione in quanto comporta ridottissimi tempi di risposta dell’apparato associato al dispositivo di campionamento e riduce notevolmente i problemi di deterioramento del dispositivo in caso di utilizzo in presenza di gas corrosivi. Inoltre, sempre grazie alla previsione della membrana a nanofori è possibile realizzare dispositivi di campionamento notevolmente semplificati e conseguentemente suscettibili di essere realizzati in configurazioni portatili.

Benché l’invenzione sia stata descritta con particolare riferimento ad una sorgente ionica del tipo EI ad impatto elettronico è tuttavia possibile prevedere l’impiego del dispositivo di campionamento in combinazione con altri tipi di sorgente.

Inoltre, benché l’invenzione sia stata descritta con riferimento ad un analizzatore del tipo a quadrupolo, sarà tuttavia possibile per l’esperto del settore, impiegare il dispositivo di campionamento in altre tipologie di analizzatori come ad esempio analizzatori magnetici, analizzatori Omegatron, analizzatori a trappola ionica (iontrap), analizzatori FI-ICR (Fourier Transform Ion Ciclotron Resonance), analizzatori TOF (time of flight – tempo di volo), analizzatori di massa cicloidale, a settore magnetico e trappola ionica, a reticolo per spettroscopia ottica.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il dispositivo di campionamento può essere inoltre vantaggiosamente utilizzato in un rivelatore di fughe di gas predeterminati e sarà pertanto equipaggiato con uno specifico spettrometro di massa, notevolmente semplificato rispetto al quadrupolo, opportunamente sintonizzato per rivelare il gas desiderato. Ad esempio, il dispositivo di campionamento secondo l’invenzione può essere utilizzato in un rivelatore di fughe di elio, in cui, come noto, viene generato un segnale di corrente proporzionale alla concentrazione di ioni di elio nell’ambiente da campionare. Analogamente sarà anche possibile sfruttare il dispositivo secondo l’invenzione nell’ambito della rivelazione di fughe in dispositivi che utilizzano sonde ad annusamento.

Il dispositivo di campionamento per gas così come descritto ed illustrato è suscettibile di numerose varianti e modificazioni, tutte rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di campionamento (11) per gas comprendente un involucro (55) a tenuta di alto vuoto in cui è definita una camera (57) a tenuta di alto vuoto, detta camera essendo comunicante con l’ambiente esterno alla camera mediante un primo foro (59) di ingresso del gas da ionizzare e con l’ambiente a valle della camera di ionizzazione mediante un secondo foro (61) di uscita del gas ionizzato, caratterizzata dal fatto che detto primo foro è separato dall’ambiente esterno alla camera da una membrana (63) a tenuta di alto vuoto recante almeno un nanoforo.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto nanoforo è un orifizio dal diametro dell’ordine dei nanometri.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la membrana (63) è del tipo atto ad essere interposto fra due ambienti aventi rispettive pressioni pue pd, ove pu> pd, ed in cui detta membrana (63) presenta almeno un orifizio atto a determinare un flusso controllato di gas dipendente dalla pressione pu, detto orifizio avendo preferibilmente un diametro D ed una lunghezza L prestabiliti tali che L<20•D.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui il diametro D e la lunghezza L sono dimensionati in modo tale che il diametro equivalente Dedell’orifizio sia De≤100nm, ove Deè definito dalla relazione De= D•(a)<1/2>in cui a è la probabilità di trasmissione dell’orifizio, funzione del rapporto L/D, detto orifizio essendo atto ad operare in regime di flusso molecolare in un intero intervallo di valori di Pucomprendente il valore della pressione atmosferica.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui la membrana (63) è formata da materiale ceramico, metallico o semiconduttore o da una combinazione di questi.
6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta camera (57) è una camera di una sorgente ionica.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui a detto foro di uscita (61) sono associate lenti elettrostatiche di estrazione degli ioni.
8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto foro di uscita (61) ha un diametro dell’ordine del mm, compreso fra 1 e 3 mm.
9. Apparato analizzatore di gas comprendente una sezione di ingresso (11a), una sezione di ionizzazione (11b), una sezione di analisi (11c) ed una sezione di rivelazione (11d), caratterizzato dal fatto di incorporare un dispositivo di campionamento (11) per gas, realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5.
10. Apparato secondo la rivendicazione 9, in cui detta sezione di analisi comprende uno spettrometro di massa a quadrupolo.