JPS6234041A - 気体中の１種類またはそれ以上の選択された気体成分をイオン化して検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔利用分野〕 この発明は、イオン化検出装置に関するものであシ、更
に詳しくいえばマスタードガスのようなチオエーテルを
検出するために、膜入口と、精製された空気のみ、また
は１種類あるいはそれ以上の化学薬品蒸気を用いるとと
に関するものである。

〔従来の技術〕

イオン化検出装置が米国特許第３．８３５．３２８号明
細壱に記載されている。イオン化検出装置は、生成物イ
オンの形成用に反応領域内に導入された標本気体と反応
する反応体イオンを形成するために、担体気体をイオン
化するイオン化源を有する反応領域を通常含む。再結合
領域は、気体またはイオンをコレクタまで流す長い遠回
シの経路を設けることにより、通常形成される。そのコ
レクタはイオンを中和する網すなわちスクリーンである
。再結合領域においては、重いイオンは流れの向きに気
体の速度により文字どおシにひきずられ、軽いイオンは
側壁や気体およびイオンに、より頻繁に衝突して、消失
する。残ったイオンはコレクタに到達して、中和される
時Ｋｍ流を生ずる。イオン化検出器は大気圧で動作し、
神経ガスのような化学剤を検出するために用いられる。

後で説明する理由から、イオン化検出器が存在する時は
チオエーテルおよびマスタードガスの標本気体からの応
答は得られない。

ダブりニー・ジョスト（Ｗ、　Ｊｏｓｔ）著「ディフュ
ージョン（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）　Ｊ　、アカデミツク
・プレス（Ａｃａｄ＠ｍ１ｅ　Ｐｒｖｍｇ）、Ｎ、　Ｙ
、　１９６０．５１〜５４ページには、管内でのイオン
の流れについての数学的解析が示されている。この理論
は、イオン化検出器の再結合領域内で起るイオン分離過
程を記述するために修正できる。

イオン化検出器の最近の改良が米国特許第４．０７５　
、５５０号明細書に記述されている。この米国特許明細
書においては、放射源の強度と担体気体の流量との変動
に備えて電気的な補償を行っている。

その電気的な補償は、反応領域からの分離されている担
体気体中に挿入された２個の電気的グローブから信号を
得ることにより行われている。

米国特許第４，３１１，６９９号明細書には、精製され
た気体と膜を用いるイオン移動度分光計が記載されてい
る。イオン移動度分光計への入口における膜の境界面を
、特定の気体化合物に対して選択的であるようにできる
。こうすることによυ、それらの気体化合物がその膜を
通って担体気体中に達することができる。これに類似の
修正をイオン化検出器に対して施すことができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

したがって、有機化合物（気体成分）をイオン化検出器
の反応領域内に選択的に通す膜を得ることが望ましい。

また、イオン化検出器の反応領域内に精製した空気また
は気体を与えることも望ましい。

更に、担体気体と、外面が大気にさらされている膜の内
面からの選択された気体成分とを、イオン化検出器の反
応領域と再結合領域の中に流すために１前記選択された
気体成分を除去できる精製した空気すなわち気体の流れ
を得ることも望ましい。

また、精製された空気または精製された担体気体の源を
反応領域に対し設けるために、精製洗浄器内で気体成分
とイオン生成物および担体気体を循環させるために、イ
オン化検出器の出口に気体成分とイオン生成物および担
体気体を集めることも望ましい。

また、イオン化検出器に入ることがある妨害蒸気から陽
イオン生成物が形成することを阻止するために１担体気
体中にアセト／のようなある種の試薬気体を得ることも
望ましい。

また更に、イオン化検出器に入ることがある妨害蒸気か
ら正イオン生成物が形成することを阻止するために、四
塩化炭素のようなおる試薬気体を得ることも望ましい。

〔発明の概要〕

本発明に従って、反応領域と、この反応領域に流れとむ
精製された担体気体の流れと、反応領域内でイオン化放
射を発生して、担体気体および選択された気体成分から
イオン生成物を形成するために、反応領域内に設けられ
るたとえば放射性箔または放射性網のようなイオン化源
と、担体気体と選択された気体成分およびイオン生成物
を流して、再結合反応および中和反応によるイオンの喪
失を生じさせるよ５にするために、反応領域Ｋｖｉ合さ
れた少くとも１つの通路を含む再結合領域と、集められ
たイオンを中和するために少くとも１つの通路の出口に
位置させられるコレクタとを備え、集められたイオンを
中和することにょシ、コレク゛りからの出力電流が中和
されたイオンの指示を与えるように構成された、周囲の
気体中の１稲類またはそれ以上の選択された気体成分を
イオン化し、検出する装置が得られる。

本発明は、精製した空気すなわち気体を反応領域内に導
入する過程と、ハロゲン化されたチオエーテルを反応領
域内に導入する過程と、Ｈ３Ｏ＋を含む反応体イオンを
担体気体から形成することにより１陽子連鎖移動反応（
ｐｒｏｔｏｎ　ｔｒａｎｆ＠ｒ　ｒ＠ａｅ−ｔｉｏｎ）
によジチオエーテルをイオン化して陽イオン生成物を形
成する過程と、イオン生成物と担体気体およびチオエー
テルを再結合／中和領域を通じて流す過程と、イオン生
成物をコレクタにおいて集めることＫよりそれらのイオ
ン生成物を中和して、チオエーテルを示す電流を発生す
る過程とを備え、イオン化検出器においてマスタードガ
スを含むチオエーテルを検出する方法を含む。

本発明は、反応体イオンがＣ０４−である場合を除き、
チオエーテルが求電子アタッチメント反応（＊ｔ＠ｃｔ
ｒｏｐｈｉｔｉｃ　ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ　ｒｅａｃｔ
ｌｏｎ）にょシイオン化されて負イオン生成物を形成す
る、上記のようにしてチオエーテルを検出する方法も提
供するものである。

また、本発明は陽イオンの干渉生成物（ｐｏａｌ−ｔｌ
ｖｅ　ｌｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｏｆ　１ｎｔｅｒｆ
ｅｒｅｎｃ＠ａ）　、すなわち、対象でない化合物、を
反応領域から除去するためにア七トンを担体気体中に導
入するものである。

また更に、本発明は陰イオン干渉生成物（ｎｅｇａ−ｔ
ｌｖｅ１０！ｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｏｆ　１ｎｔｅｒ
ｆ＠ｒ＠ｎｃｅｓ）を反応領域から除去するために、四
塩化炭素またはそれに類似の塩素化合物を担体気体中に
導入するものである。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図には、周囲の気体１２中の１種類またそれ以上の
選択された気体成分をイオン化および検出するイオン化
検出器１０が示されている。周囲の気体１２は通路１４
を矢印２０で示すように通シ、それからポンプ１６を通
って出口１８を矢印２１で示すように出る。膜２２が通
路１４の側壁の一部を形成する。その膜２２は周囲の気
体１２に含まれている標本気体成分を選択的に通す。

膜２２としては微孔性テトラフルオロエチレン（ＴＥＦ
）および微孔性ポリプロピレンのような多孔性拡散型膜
とすることができる。膜は標本すなわち試料の輸送のた
めにクヌーセン拡散（Ｋｎｕｄｓｔｎｄｉｆｆｕｓｉｏ
ｎ　）に依存する。しかし、多孔性膜は望ましくない窒
素酸化物とアンモニアを通す。あるいは膜２２としては
ジメチルシリコン、ポリカーボネート、ジメチル−メチ
ルビニル−ポリシロキサン等のような非多孔性半透型の
ものを使用できる。それらの物質は膜２２を通じての試
料輸送のために膜中での試料の溶解度に依存する。非多
孔性膜はたとえば窒素酸化物やアンモニアを通さないか
ら、非多孔性膜は多孔性膜より好ましい。多孔性膜と非
多孔性膜には、非多孔性膜の溶解度を変更するため、お
よび多孔性膜を非多孔性膜に変えるために１気体−液体
クロマトグラフイ一の分野で一般的に用いられるような
試薬を含浸させる。

ことができる。膜２２は選択された有機物気体成分を通
すために機能するが、アンモニアＮＨ３、窒素の二酸化
物、窒素の三酸化物等、ＭＯｘのような干渉気体成分の
通過を阻止または最少限にするように４機能する。アン
モニアのような気体成分は、陽子を自身でひきよせ、検
出することを望む他の気体成分（７’ｃとえは塩素化さ
れたチオエーテル）から離す高い陽子親和力を有する。

窒素酸化物は、電子を自身でひきよせ、検出することを
望む他の気体成分（たとえば塩素化されたチオエーテル
）から離す高い電子親和力を有する。

Ｍ２２を通った気体成分は通路２６に流れこむ精製され
た担体気体２４中に入る。精製された担体気体としては
、水分含有率が１００万分の１０（１０ＰＰＭ）より低
く、アンモニア含有率が１０億分の１．０　（ＩＰＰＢ
）より低く、窒素および窒素酸化物の含有率が１．０Ｐ
ＰＢより低いたとえば乾燥窒素または精製した乾燥空気
とすることができる。選択した気体成分および精製した
担体気体２４は入口２９を矢印２４で示すように反応領
域２日の中に入る。

反応領域２８はイオン化源３０を含む。このイオン化源
３０としてはβ粒子源であるたとえばニッケル６３とす
ることができる。放射性トリチウムまたはアメリシウム
、光イオン化、コロナ放電またはアルカリ塩源のような
他のイオン化器も使用できる。この分野で知られている
ように、β粒子は担体気体の分子を主としてイオン化し
、イオン化された担体気体分子がイオン交換により試料
分子または選択した気体成分をイオン化してイオン生成
物を形成する。第１図に示すように、イオン化源３０を
反応領域２８を横切って延長させ、マニホルド３２のマ
ニホルド表面３３から隔てられた絶縁１１３１によりイ
オン化源３０を支持できる。その絶縁環は円形であって
、導電性である。

マニホルド３２は非導電性ハウジング３４の内部にはめ
こむことができる。そのハウジング３４は円筒形とする
ことができる。反応領域２８はハウジング３４とマニホ
ルド３２の表面３３との間に形成される。

再結合／中和領域３５が表面３３とコレクタ・スクリー
ン４４０間を延長する。マニホルド３２に設けられてい
る穴３６が、反応領域２８からコレクタ・スクリーン４
４までの複数の通路３７を形成する。隣接するマニホル
ド３２は第１の稽類の複数のバッフル３８および第２の
種類の複数のバッフル３９−ｔＪる。それらのバッフル
はワッシャ４０により互いに隔てられる。バッフル３８
゜３９とワッシャ４０は円環を形成する。それらの円環
の外縁部がハウジング３４内にはめこまれる。

バッフルとワッシャはテフロン（登録商標）のような非
導電材料で作られる。バッフル３８．３９には気体を通
す穴４ｆ　、４２がそれぞれ設けられる。ワッシャ４０
と穴４１．４２によυ形成された気体空間４３が、担体
気体と選択された気体成分およびイオン生成物を流す１
つまたはそれ以上の通路３７を形成する。重いイオン生
成物または移動度の低いイオンが残ってコレクタ・スク
リーン４４に到達する。

マニホルド３２は、バッフル３８，３９．！：ワツシャ
４０の中心に沿って延びる円筒形導電部４９を有する。

バッフルとワッシャは導１ｆ！ｌ！４８によりー緒機械
的に保持できる。その導電環４８は円筒部４９の外部か
らねじこむこともできるし、ねじこまなくともよい。円
筒部４９は、通路３７の壁に当るイオンを中和するため
に、通路３７の壁の部分として導電部９０を形成するよ
うに機能する。中心線５０で示される中心軸を有するマ
ニホルド３０の円筒部４９は、穴４１が存在する場所を
除き、バッフル３８．３９の内縁部と面一に、および気
密にはめこむことができる。コレクタ・スクリーン４４
は支持ＦＪＪ　６にとりつけることができる。その支持
環４６は導電性とすることができる。支持環４６の外縁
部はハウジング３４にほめと１れる。支持環４６は絶縁
還または絶縁ワッシャ４５によ）導電環まだは導電ワッ
シャ４８から電気絶縁される。残っているイオン生成物
がコレクタ・スクリーン４４に到達すると、正電荷と負
電荷の少くとも一方がコレクタ・スクリーン４４により
集められて、中和され、それによりコレクタ・スクリー
ン４４に電流を発生する。その電流はり一ド５１を通じ
て電位計型検出器５３の入力端子へ伝えられる。その電
位計型検出器５３はその電流を増幅し、測定する。ここ
で述べているコレクタ・スクリーン４４としてはファラ
デー板を使用できる。電位計型検出器５３はたとえば、
１つの入力端子と出力端子が抵抗器６１で結合された演
算増幅器６０を含むことができる。演算増幅器６０の第
２の入力端子は接地できる。

イオン化源３０はリードＴ１によりミ源ＴＯへ結合され
る。この電源のアースに対する電圧はｖｌである。電源
７０はリード７１と抵抗器８１およびリード８２を介し
てマニホルド３２へも結合される。リード８２はポテン
ショメータ８３を介してワッシャ４Ｂへも結合される。

ワッシャ４８は抵抗器８４を介して接地される。電源７
０はＩＪ−ドＴ３を介して接地もされる。電源７０は所
定の電圧ｖ１をイオン化源３０に印加し、所定の電圧ｖ
２をマニホルド３２と導電部４９に印加し、所定の電圧
ｖ３を導電環４８に印加するように機能する。リード８
２における電圧ｖ２と導１！３Ｊｊ４８における電圧ｖ
３は抵抗８１．８４およびポテンショメータ８３の抵抗
値により決定できる。ポテンショメータ８３によりミ圧
ｖ３に対して電圧ｖ２を調整できる。電圧ｖ３は導電＠
４８とコレクタ・スクリーン４４の間に現われる。その
電圧Ｖ。

は電界中のイオン生成物をコレクタ・スクリーン４４へ
向って移動させる。コレクタ・スクリーン４４において
イオン生成物は中和される。電圧差Ｖ２−Ｖ、は小さく
て、開口部４１．４２と、ワッシャ４０と導電部４９の
間の空間との間に非常に弱い電界を生ずるだけである。

イオン化源３０とマニホルド表面３３の間の反応領域２
８内で陽イオンと陰イオンの分離が起る。

その反応領域においては電圧の差Ｖ１−Ｖ２により発生
された電界が陽イオンまたは陰イオンがマニホルド３２
の中に入ることを阻止し、逆極性のイオンを吸引する。

主としてマニホルド表面３３（開口部３６）と導電環４
８の間である再結合／中和領域３５においては、重いイ
オン（たとえばマスタードガスや神経ガスのイオン）が
担体ガス２４の流れにより通路３７に沿ってひかれる。

重いイオンは、軽いイオンと比較して、他のイオン、分
子および通路３７の壁に衝突する機会が少い。軽いイオ
ンは通路３７の導電部９０の表面と衝突することにより
中和される可能性が大きい。

イオン生成物がコレクタ・スクリーン４４により中和さ
れた後で、担体気体と選択された気体成分が出口５４を
図示の矢印の向きに流れ、通路５６を通ってポンプ５７
に入る。ポンプ５７は、開口部３６，４１．４２と空間
４３によ多形成されている通路３７を通ってコレクタ・
スクリーン４４に達する所定の気体流量を維持するよう
に機能する。

所定の気体流量は１００〜２０００ｅｅ　／ｗｊｔとす
ることができる。ポンプ５７は気体を通路５８を通って
精製器５９の入口へ送る。精製器５９は望ましくない気
体成分および残留イオン生成物を除去して精製された担
体気体２４を出口を通って通路２６へ送シこむ。

通路２６の側壁の一部が膜６２より置き換えられる。膜
６２はある種の気体６４を通すことができる。その膜６
２は容器６６の口をふさぐようにしてとシつけられる。

その容器の中にはたとえばアセトンのような液体６８が
入れられる。容器６６の中の液体６８の表面から上の空
所には、液体６８の蒸気圧により決定される量の気体６
４が存在する。その気体６４は膜６２を透過して精製さ
れた担体気体２４の中に入シこむ。気体６４はある特定
の陽子親和力を有すものを選択できる。その気体は反応
領域２８において陽子に付着して、陽子親和力のより小
さい気体成分に陽子が付着することを阻止する。アセト
ンを精製された気体２４に混合するととべより陽イオン
流が干渉および塩素化されたチオエーテル（マスタード
）試料から生ずることを阻止する。しかし、それはマス
タードに対する陰イオンの応答に影響を及はさない。精
製された担体気体２４中のアセトンの濃度はＩＰＰＢ〜
ＩＰＰＭとすることができる。典型的なアセトン濃度は
ｌ０ＰＰＢとすることができる。アセトン（ジメチル・
ケトン）Ｋ加えてアンモニアおよびその他のケトン（た
とえばチクロヘキサノン）を使用できる。更に、カルボ
ニル、スルホキシド、およびホスホリルを含む他の化合
物をアセトンの代υに試薬として使用できる。

電子親和力の低い干渉気体成分への電子の付着を阻止す
る塩素の陰イオンを反応領域２８において発生するため
に１液体６８はたとえば四塩化炭素を含むこともできる
。′ｆｆＩ製された担体気体２４中の四塩化炭素の濃度
はＩＰＰＢ〜ＩＰＰＭとすることができる。四塩化炭素
に加えて、たとえば塩化メチレン、クロロフォルム（ト
リクロロメタン）、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン
のような他の塩素化合物を使用できる。

あるいは、アセトンと四塩化炭素をｆｌｌＶＭされた担
体気体２４中に入れるために、１本またはそれ以上の透
過管、たとえば通路２６４たはチャンバ８７中の透過管
８５．８６を使用できる。透過管は液状の化学物質を、
所定の肉厚を有する既知寸法のＰＥＰテフロン管内に封
じこめることにより　一般に作られる。透過管はアメリ
カ合衆国ペンシルバニア州エイボンデイル（Ａｖｏｎｄ
ａｔｅ　）　１９３１１、ニューアークロード（Ｎｅｗ
ａｒｋ　Ｒｏａｄ　）、Ｒｔ、４１所在のアナリテイカ
ル・インスッルメント・デペロッグ）ｌ　；ｙ　）４１
　（ＡｎａｔｙｔｌｃａｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｄａ
ｖｅｔｏｐ−ｍｅｎｔ　、　Ｉｎｅ　、　）のような程
々の供給者から入手できる０ 本発明の一実施例を説明するために再結合３５を、一端
においてマニホルド３２の表面３３に開口部３６を有し
、他端に導通管４８ｆ、有する一定直径の管または通路
として単に考えることができる。マニホルド３２と導電
部４９は管または通路に接触できるが、コレクタ・スク
リーン４４は通常は異なる電位にある。イオン化源３ｏ
にょ多形成されたイオンの運動は、それらのイオンが再
結合領域に入った後の拡散および対流により制御される
。静止状態イオン濃度ｎに対する式が（１）式により与
えられる。

この式において、Ｄは拡散係数、Ｄｇは抵抗係数、ｖｄ
　（ｃＦＩＬ／５ｅｃ）は通路の長手方向に溢って加え
られｆｒ、１！界中のオンのドリフト速度、Ｑ　（ｃｅ
／ｓｅｃまたはｃ　ｃ　／ｍｉｘ　）は担体気体の流用
、Ａは通路の横断面面積、αは再結合係数、βはイオン
の再結合のための重みづけ係数（電界に依存する）、ｎ
′は対象とするイオンが再結合する逆極性の電荷である
。

（１）式は次のような境界条件の下で解くことができる
。マニホルド３２においてｎ　＝１６　Ｓｒ　＝　ｒ。

（通路または管の外壁）においてｎ＝０１また、コレク
タ・スクリーン４４においてｎはＯに等しい。

標準の可変分離技術を用いて、イオン濃度ｎ（イオン／
ｃｅ）が（２）式を満すことができる。（２）式は前記
ジョスト（Ｊｏｓｔ）の著書［ディフュージョン（Ｄｉ
ｆｆｕｓｉｏｎ）　Ｊの５２ページ所載の１．２２２式
によく似ている。

ここに、２は（２）式におけるマニホルド３２から下流
側の距離である。ζνは零次ベッセル関数の零、ｖ′は
（３）式で表される。

Ｖ′＝（１−Ｉ）ｇ　）　Ｖｄ＋０ｇ　Ｑ／Ａ　　　　
　　　　　　（３）ベッセル関数を通路または管の横断
面面積にわたって平均化して、（４）式で表されるｎを
生ずることができる。

コレクタ・スクリーン４４によ）集められるイオン電流
は（５）式で与えられる。

Ｉ　＝　Ａｃ、　ｎ＠ｖ’　　　　　　　　　（５）こ
こに、Ａｅｌはコレクタ・スクリーン４４の横断面面積
・は電荷である。ｎは（４）式により与えられ、平均イ
オン濃度を表す。

Ｖ’　（ａｎ／　ｅ　ｅまたはａｎ　／　ｒｍ　）は（
３）式により与えられ、イオンの実効速度を表す。

（５）式を参照して、電流は平均イオン濃度ｉと、（３
）弐によυ与えられる実効速度Ｖ′とに比例する。

イオン再結合の作用を最小限に抑えることにより平均イ
オン濃度ｉを高くできる。逆極性のイオンの濃度ｎ′＝
０とすることによりイオン再結合の作用を最小にできる
。これは、放射源３０とマニホルド３２（第１図）の間
に電界を加えることにより行われる。電界は、イオンが
開口部３６　、４１　。

４２と空間４３を移動する間に、逆極性のイオンを前向
きに分離させる。寸法と重量が同じで、極性が逆のイオ
ンが反応領域内で逆向きに分離し、１つの電荷のイオン
のみが再結合領域に入る。再結合の作用の減少を一層助
けるために、弱い電界、たとえば１ボルト／センチメー
トルより弱い電界、をマニホルド３２と導電環４８の間
に加えることができる。しかし、マニホルド３２と導電
環４８の間の電界の大きさは、ドリフト速度Ｖｄと、（
３）式中のドリフト速度の項（１−Ｄｒ）Ｖａが担体気
体の流量へおよび（３）式中のそれの項ＤｇＧ１／Ａよ
り大きいようなしきい値をこえてはならない。というの
は、イオン化検出器１０は、重い有機物イオンのことが
ある生成イオンが、担体気体の流量ルに抵抗係数Ｄｇを
乗じたものの影Ｐａｔ主として受けてコレクタ・スクリ
ーン４４に到達する、という原理で動作するからである
。

（４）式を参照して、ｎ′が０に等しいものとすると再
結合狙βｎ′／Ｄを無視できる。ζνの妥当な値は２．
４０５とすることができる。ｎ／がＯに停しく、ζνが
２．４０５に等しいと（４）式の指数項は（６）式にな
る。

Ｖ’／Ｄの関数としての（６）式の値が第２図にカーブ
７５〜７７により示されている。第２図のグラフにおい
ては、通路の長さ２は１ｃｒｎに等しく、通路の半径ｒ
（１は、カーブＴ５に対して１ｃｍ５カーブγ６に対し
て０．５　ＣＩ！Ｌ　％カーブＴ７に対して０．１　ａ
ｎである。Ｖ’／Ｄの関数としての（６）式の値が第３
図のカーブ７８〜８０により示されている。この図にお
いては、通路の半径ｒＱは０．１　ｃｍで、通路２の長
さは、カーブＴ８に対しては１１、カーブγ９に対して
は４ｃｒ！Ｌ１カーブ８０に対しては１０ｃ１１ｔであ
る。第２図および第３図において、縦軸はｖ′／Ｄを表
し、横軸は（６）式の値を表す。カーブ７５〜８０で示
されているように、Ｖ’、４）を大きくすることにより
、または２を長くすることによ月６）式０式％ Ｖｄが小さいとすると、（３）式により与えられるｖ／
は（力式で近似できる。

■′中Ｄｇτ　　　　　　　　　　　　　（７）抵抗係
数Ｄｇは下記のようにしてイオン移動度に関連させるこ
とができる。ニュートンの第２の法則から、電界Ｅ中の
イオンの運動は（８）式にょυ与えられる。

（８）式において、ｍはイオンの質量、Ｄｇは気体中を
動くイオンの抵抗係数、ｑはイオンの電荷である。Ｅが
一定であると、ｄ”ｒ／ｄｔは０に等しい。

そうすると、（８）式は（９）式で示すように表すこと
ができる。

気体中のイオンの速度と電界の関係が００１式で与えら
れる。

ここに、■はイオンの移動度である。（９）式を抵抗係
数り、について解き、それを０１式に代入するとα０式
が得られる。

Ｄｇ＝ｑ／μ　　　　　　　　　　　　　　Ｉしたがっ
て、抵抗係数Ｄｇはイオンの電荷ｑをそれの移動度μで
除したものである。α９式を（力式に代入するとα２式
が得られる。Ｖ′はイオンの移動度に逆比例する。

ｖ′＃ｑる／μＡ　　　　　　　　　Ｃ１りしたがって
、Ｖｄを無視できるものとすると、α２式のＶ′は、た
とえば担体気体イオンのように小さいイオンでは高い移
動度のために小さく、マスタードイオンのような生成物
イオンのように大きいイオンでは移動度が低いために大
きい。すなわち、イオン検出器１０の応答は質量が大き
かったシ、横断面が大きくて、移動度μが低いイオンに
対して選択性である。実験の結果はα３式に一致してい
る。

次にイオン化検出器１０の動作を説明する。イオン化検
出器１０は化学戦で用いられる神経剤および発庖剤の検
出に有用である。神経剤の一例はたとえばＧＢ（サリン
（Ｓａｒｉｎ〕）である。ＣＢの化学構造を０３弐に示
す。

ＯＣ１（３ １１重 ＣＨ３−Ｐ−０−ＣＨ（１３ Ｆ　　　　　　ｃｈ３ この物質は有機シん酸塩化合物である。発庖剤の一例が
たとえばマスタードであって、それの化学構造をＣｌ４
１式に示す。

Ｃ４ＣＨ２ＣＨ２５ＣＨ２ＣＨ２Ｃｔ　　　　　　　　
　　Ｑ４）この物質は塩素化チオエーテル化合物である
。神経剤または神経剤と発庖剤は、担体気体２４の組成
に応じてイオン化検出器１０により検出される。

担体気体２４としての大気の場合は、イオン移動度分光
／質量分光データにより、反応領域２８内の放射源によ
多発生された反応体イオンが（ＨｚＯ）　ｎ　ＮＨ４＋
および（ＨｚＯ）ｎＮＯｘを含むことが示されている。

（ＨｚＯ）、）ＩＨ丈反応体イオンを含むイオン／分子
反応によυ、ＧＢに対しては（１！１９式によυ示され
るように、核親和アタッチメント反応（ｎｕ−ｅｔａｏ
ｐｈｌｔｉｅ　ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ　ｒｅａｃｔｉｏ
ｎ）によって有機シん神に￥剤がイオン化される。

ＧＢ　＋（Ｈ２０）ｎＮＨ４’→（ＧＢ）ＮＨｊ＋ｎＨ
２０（４５他の有機シん神経剤および化合物に対しても
類似の反応が起る。一方、（ＨｚＯ）ｎＮＨＦおよび（
ＨｚＯ）ＮＯ；反応イオンとマスタードのような発庖剤
の間にはイオン／分子反応は存在しない（質量分光計を
用いた観察による）。したがって、大気を担体気体２４
として用いた場合には、有機シん神経剤のみをイオン化
検出器１０で検出できる。

担体気体２４として精製空気（含水率がＩＰＰＭより低
く、アンモニア含有率がＩＰＰＢより低く、ＮＯ工含有
率が１ＰＰＢより低い）を用いた場合には、イオン移動
度分光計／質量分光計データによって、反応領域２８内
の放射源によ多発生された反応体イオンが（ＨｚＯ）ｎ
Ｈ＋と（ＨｚＯ）ｎｃＯ４を含むことが示されている。

（ＨｚＯ）ｎＨ＋反応体イオンを含むイオン／分子反応
によって、ＧＢに対しては（ＩＦ５式により示されるよ
うに、陽子移転によって有機シん神経剤がイオン化され
ることになる。

ＧＢ−１−（ＨｚＯ）ｎＨ−（ＨｚＯ）（ＧＢ）Ｈ”＋
（ｎ−１）ＨｚＯ、ＱＱ他の有機υん神経剤および化合
物に対しても同様な反応が起る。（ＨｚＯ）ｎＨ＋反応
体イオンを含む類似のイオン／分子反応により、αη式
に示す陽子移転によってマスタード（Ｍｕ　ｓ　ｔ　ａ
　ｒ　ｄ　）がイオン化される。

Ｍｕｓｔａｒｄ　−１−（Ｈｚ　０）　ＨＨ”−＋（Ｍ
ｕｓｔａｒｄ）Ｈ”＋ｎＨ２Ｏαηまた、（Ｈｚ　０）
　ｎ　Ｃ０４−反応体イオンを含むイオン／分子反応に
よυ、α９式で示す親電子アタッチメン）　（ｅｔｅｅ
ｔｒｏｐｈｉｔｉｅ　ａｔｔａｅｈｍｅｎｔ）によって
マスタードがイオン化される。

Ｍｕｓｔａｒｄ＋（Ｈｚ　Ｏ）ｎ　ＣＯ４→（Ｍｕｓｔ
ａｒｄ）０２″＋ＣＯ２＋　ｎ　Ｈｚ　０　　　　　　
　　　　　　　α＆当業者にとっては、（Ｈｚ　０）　
ｎ０２−反応体イオンが含まれているものとすると、負
イオン反応は同様である。したがって、有機シん神経剤
および発庖剤（ｂｌｉｓｔｅｒ　ａｇｅｎｔｓ）、たと
えばマスタード、は、担体気体２４として精製された空
気を用いた時に、イオン化検出器１０により検出できる
。

０９〜α〜式により与えられる反応の結果として発生さ
れた生成物イオンは、開口部３６，４１．４２と空間４
３によ多形成された通路３７の中を担体気体２４により
ｉ量Ｑで流される。再結合領域を通るイオンはコレクタ
・スクリーン４４により集められて測定可能な電流とな
る。その電流は電位計５３に流れこんで検出される。そ
の電位計は線５２に出力を生ずる。

担体気体２４として精製された空気を用いると、正イオ
ン・スペクトラムで神経剤を検出すること、マスタード
を正と負のイオンのスペクトラムで検出することが可能
である。識別を助けるためＫは、正イオン・スペクトラ
ムで神経剤のみを検出し、発庖剤のみを負イオン・スペ
クトラムで検出することが望ましい。これは、マスター
ドから正イオンが発生されることを叱正する他のイオン
化反応を反応領域２８において用いることにより行うこ
とができる。それらの正イオンは、アセトンのような所
定の液体６８を容器６６の中に入れることＫよって無く
すことができる。液体６８の表面の上方にアセトンの蒸
気が生じ、その蒸気は膜６２を透過して精製された担体
気体２４中に入る。０９式で示すような化学構造を有す
るアセトン（ｉｃｅ−ｔｏｎｅ）は、Ｗ、Ｃ９式で示す
ように１ハイドロニウム反応体イオンと２種類のイオン
／分子反応を行う。

ＣＨ３−Ｃ−ＣＨ３（１９ Ａｅ＠ｔｏｎｓ＋Ｈ３０＋→（Ａｅｅｔｏｎａ）Ｈ”＋
ＨｚＯ（２１）（Ａｃｅｔｏｎｅ）Ｈ＋＋Ａｅｅｔｏｎ
ｅ→（Ａｃｅｔｏｎｅ）２　Ｈ＋（３υマスタードの陽
子親和力は、翰、０９式の反応により発生されたイオン
の陽子親和力より小さいから、マスタードからの正イオ
ンはアセト／の存在下では形成されない。したがって、
アセトンを担体気体２４中に導入することにより、（１
８式で示されているマスタードの負イオン化に影響を及
ぼすことなしに、マスタードに対する正イオンシグネイ
チャ（ｐｏｓｉｔｉｖ＠ｌｏｎ　ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）
を無くすことができる。更に、アセトンを導入しても四
式の反応（ＣＢについて書かれている）を行う神経剤の
正イオン化を妨げない。

（Ａｃｅｔｏｎ＠）２Ｈ＋−）−ＣＢ−＋（Ａｅｅｔｏ
ｎｅ）Ｈ＋＋Ａｃｅｔｏｎｅ　　　＠したがって、担体
気体２４中にアセトンが存在すると、マスタードは陰イ
オン化され、神経剤は陽イオン化されて、マスタードの
陽イオン化は不可能である。

このように、担体気体２４中のアセト／の利点は、イオ
ン化検出器１０が陽イオンモードにおける神経剤のみに
応答することである。アセトンがないと、αη式に従っ
てマスタードから形成された陽イオンを、たとえばＧＢ
に対して（Ｌｔ９式に従って神経剤から形成された陽イ
オンと区別することはできない。更に、神経剤の負イオ
ン化に対する反応は存在しない。したがって、担体気体
２４にアセトンを加えると、イオン化検出器１０は、電
圧ｖ１が正であって陽イオンを伝えられるようＫする時
には神経剤が検出され、電圧ｖ１が負で陰イオンを伝え
られる時には発庖剤が検出されるという事実を基にして
、神経剤と発庖剤を区別できる。

マスタードの検出に特異性を付加するために、容器６６
に四塩化炭素のような所定の液体６８を入れることＫよ
υ、干渉蒸気の負イオンをイオン化検出器１０から無く
すことができる。液体６８の表面の上方に四塩化炭素の
蒸気が生ずる。その蒸気は膜６２を透過して精製担体気
体２４に混じる。（ハ）式で示すような化学構造を有す
る四塩化炭素（Ｃａｒｂｏｎ　Ｔｅｔｒａｅｈｔｏｒｉ
ｄｅ　）が次の解離反応でオクソニウム反応体イオンと
電荷交換を行い、ｒ２ａ式で示すように塩素の陰イオン
を生ずる。

Ｃｔ ｃｚ−ｃ−ｃｔ　　　　　　　　　　（ハ）鷲 ・　　Ｃｔ （Ｈ２０）　、ｏ、　−）−Ｃａｒｂｏｎ　Ｔ＠ｔｒｍ
ｃｈｔｏｒｉｄｓ　−＋Ｃｔ−）−０２＋ｎＨ２０＋Ｒ
ａｄｉｅａｔｓ　　　　　　　２４）塩素陰イオンの電
子親和力が非常に高いから、より少い数の化合物までそ
れの電荷を失う。それらの化合物は、オクソニウム反応
体イオンを使用した場合よりも電位干渉として機能でき
る。また、塩素陰イオンを（至）式に従ってマスタード
をイオン化する反応体として使用できる。

Ｃｔ−＋Ｍｕｇｔａｒｄ→（Ｍｕｓｔａｒｄ）（’ｔ−
＠ルイサイト（ｔｅｗｌ　ｓ　ｉ　ｔｅ）として知られ
ている別の発痘剤に対して類似の反応が存在する。した
がって、四塩化炭素の蒸気を担体気体に加えると、干渉
物質の負イオン化が阻止されると同時に、発痘剤、マス
タードおよびとくにルイサイトの負イオン化を可能にす
る。これによυ発痘剤の検出に対してイオン化検出器１
０が一層特効あるものとされる。

アセトンと四塩化炭素の蒸気を担体気体２４中に同時に
加えることができるが、そうしても互いに影響を及ぼし
合うことはない。これは、たとえば、通路２６に沿う２
個所の独立した場所、または２本の透過管８５．８６に
取付けられる２個の容器６６を用いて行うことができる
。最後に、膜２２を透過できる試料気体の量が（イ）式
により与えられる。

（ハ）式においてＹは発生量、Ｐｌは膜の外面における
試料の分圧、Ｐ２は膜の内面における試料の分圧、Ｐｒ
は膜の透過率、Ａｒｎは膜の面積、るは担体気体２４の
流量、ｔは膜の厚さ、Ｐｉは全圧である。■式に従って
、担体気体の流量るが減少するＫつれて発生量Ｙが増加
する。Ｊｌｉ２２の性能およびその膜の材料についての
詳細については、本願の発明者によυ発明された米国特
許第４．３１１．６６９号明細書に記載されている発明
を参照されたい０ しかし、担体気体の流量Ｑが減少すると（３）式中の実
効速度Ｖ／の値が低下する。第２図からＶ／の値の低下
は（６）式の値、すなわち第２図の横軸、の減少に直接
翻訳される。したがって、イオン化検出器１０の出力信
号は、作業濃度（ｔａｓｋｉｎｇ　ｅｏｎｃ＠ｎ−ｔｒ
ａｔｉｏｎ　）　　（検出器へ与えられる試料の蒸気濃
度）に正規化されると、減少する。したがって、膜２２
の性能を向上させる担体気体のｉｔ４の減少によυ、（
４）式に従ってｎの性能が低下し、（５）式に従って■
が減少する。その工はイオン化検出器１０から線５２へ
出力される出力を流である。パラメータ２（再結合領域
の長さ）を小さくして、第３図のカーブ７８〜８０によ
り実験的に示されている、（４）式中のイオンの電荷ｎ
を増加することくより、膜の処理量に影響を及ぼすこと
なしにイオン化検出器１０の性能を向上させることがで
きる。パラメータ２は、第３図のカーブ７８，７９．８
０に対してそれぞれｌＧ１１１　＋　４Ｇ１１１　、１
０ａｎに等しい。

以上、反応領域と、この反応領域に結合された精製担体
気体源と、選択された気体成分を反応領域へ透過させる
膜と、担体気体と選択された気体成分およびイオン生成
物を流すために反応領域に結合される少くとも１つの通
路を含む再結合領域と、集めたイオンを中和するために
少くとも１つの通路の出口に位置させられるコレクタと
を備え、前記少くとも１つの通路をイオン生成物が通る
ことＫより、再結合反応と中和反応によりイオ／の喪失
が生じ、コレクタに集められたイオンの中和により生じ
た出力電ｆｉＫよって中和されたイオンが指示される。

周囲の気体の１種類またはそれ以上の選択された気体成
分をイオン化して、検出する装置およびこの装置で使用
する方法について説明した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例を一部略図で示す横断
面図、第２図および第３図は第１図に示す装置に応用で
きる方程式中の変数間の関係を示すグラフである。 １０・・・・イオン化検出器、２２．６２・金・・膜、
２６．３７・・・・通路、２８・・・・反応領域、３５
・・・・再結合領域、４４・・・嗜コレクタ・スクリー
ン、９０・・・・導電部。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体中の１種類またはそれ以上の選択された気体
   成分をイオン化して検出する方法であつて、含水率が１
   ０ＰＰＭより低く、窒素酸化物の含有率が１．０ＰＰＢ
   より低く、アンモニアの含有率が１ＰＰＢより低い精製
   された担体気体（２４）を反応領域（２８）の中に導入
   する過程と、 前記選択された気体成分を前記反応領域（２８）の中に
   導入する過程と、 前記反応領域（２８）内でイオンを発生して、前記担体
   気体（２４）および前記選択された気体成分からイオン
   生成物を生成する過程と、 導電部（９０）を含む壁を有する少くとも１つの通路（
   ３７）に、前記担体気体（２４）と前記選択された気体
   成分および前記イオン生成物を流すことにより、イオン
   再結合および前記壁の前記導電部（９０）による中和の
   ためにイオン喪失を生じさせる過程と、 残つているイオンを前記少くとも１つの通路の出口にお
   いて集めて前記イオンを中和し、中和されたイオンを示
   す出力電流を生ずる過程と を備えることを特徴とする気体中の１種類またはそれ以
   上の選択された気体成分をイオン化して検出する方法。
2. （２）反応領域（２８）と、 この反応領域（２８）内でイオンを発生する第１の手段
   （３０）と、 前記反応領域に結合された導電部（９０）を含んでいる
   壁を有する少くとも１つの通路（３７）を有する再結合
   領域（３５）と を備え、前記少くとも１つの通路（３７）の出口に位置
   させられたコレクタ（４４）と気体中の１種類またはそ
   れ以上の選択された気体成分をイオン化して検出する装
   置において、 精製された担体気体（２４）を前記反応領域中に導入す
   る第２の手段（２６、２９）と、 前記選択された気体成分を前記反応領域中に導入する第
   ３の手段と、 を備え、前記第１の手段は前記担体気体（２４）および
   選択された気体成分からイオン生成物を形成し、 前記少くとも１つの通路（３７）は前記担体ガス（２４
   ）と前記選択された気体成分および前記イオン生成物を
   その中に通し、それによりイオン再結合および前記壁の
   前記導電部（９０）とのイオン相互作用の結果としてイ
   オンの喪失が起り、 前記コレクタ（４４）は前記再結合領域（３５）からの
   前記残留イオンを中和することにより、前記コレクタ（
   ４４）からの出力電流が中和された残留イオンの指示を
   与えることを特徴とする気体中の１種類またはそれ以上
   の選択された気体成分をイオン化して検出する装置。
3. （３）特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、前記
   第２の手段（２６、２９）はアセトンを前記担体気体中
   に導入する第４の手段（６２、６６、６８）を含むこと
   を特徴とする装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項記載の装置であつて、前記
   第２の手段（２６、２９）は四塩化炭素を前記担体気体
   （２４）中に導入する第５の手段（６２、６６、６８）
   を含むことを特徴とする装置。
5. （５）特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、前記
   選択された気体成分を導入する前記第３の手段（２２、
   ２９）は、隔てられた内面と外面を有し、かつ前記反応
   領域（２８）の入口（２９）の上方に位置させられる膜
   （２２）を含むことを特徴とする装置。
6. （６）特許請求の範囲第２項記載の装置であつて、前記
   第２の手段（２６、２９）は試薬を前記担体気体（２４
   ）中に導入する第４の手段（６２、６６、６８）を含む
   ことを特徴とする装置。
7. （７）特許請求の範囲第６項記載の装置であつて、前記
   試薬は、アンモニア、またはケトン、カルボニル、スル
   ホキシドおよびホスホリルなどの化合物より成る群から
   選択されることを特徴とする装置。
8. （８）特許請求の範囲第６項記載の装置であつて、前記
   試薬はチクロヘキサノンを含むことを特徴とする装置。
9. （９）特許請求の範囲第６項記載の装置であつて、前記
   試薬は塩素置換を行つた化合物を含むことを特徴とする
   装置。
10. （１０）特許請求の範囲第６項記載の装置であつて、前
    記試薬はメチレン・クロライド、トリクロロメタン、ク
    ロロベンゼン、およびジクロロベンゼンより成る群から
    選択されることを特徴とする装置。