RU112505U1

RU112505U1 - DEVICE FOR PRODUCING IONS IN A GAS MEDIA

Info

Publication number: RU112505U1
Application number: RU2011126634/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Николаевич Кобцев; Юрий Борисович Князев; Алексей Львович Леострин; Павел Андреевич Печатников
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор"
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-01-10

Abstract

1. Источник ионизации на основе барьерного разряда, содержащий ионизационную камеру, включающую первый электрод, расположенный напротив него второй электрод, и диэлектрический элемент, установленный между первым и вторым электродами и плотно примыкающий к рабочей поверхности первого электрода, а также источник высоковольтного напряжения, отличающийся тем, что второй электрод выполнен в виде металлического колпачка, охватывающего диэлектрический элемент с установленным на нем первым электродом, причем донце второго электрода выполнено в виде решетки, с обеих сторон покрытой тонким диэлектрическим слоем, а площадь рабочей поверхности первого электрода максимально соразмерна с площадью решетки второго электрода. ! 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический элемент выполнен в виде колпачка и установлен внутри второго электрода. ! 3. Источник по п.1, отличающийся тем, что для увеличения площади рабочей поверхности первого электрода он выполнен в виде металлической втулки с диском, размещенным на одном его торце таким образом, чтобы диск электрода изнутри плотно прилегал к внутренней поверхности дна диэлектрического элемента. ! 4. Источник по п.1, отличающийся тем, что решетка второго электрода образована отверстиями округлой формы, расположенными по периметру решетки, и отверстиями продолговатой формы, расположенными в центральной ее части. ! 5. Источник по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический элемент и диэлектрический слой второго электрода выполнены из одного материала. ! 6. Источник по п.1, отличающийся тем, что для стабилизации тока разряда источник высоковольтного напряжения выполнен 1. An ionization source based on a barrier discharge, comprising an ionization chamber including a first electrode, a second electrode located opposite it, and a dielectric element installed between the first and second electrodes and tightly adjacent to the working surface of the first electrode, as well as a high-voltage source, characterized by that the second electrode is made in the form of a metal cap, covering the dielectric element with the first electrode installed on it, and the bottom of the second electrode is made in the form of a lattice, on both sides covered with a thin dielectric layer, and the area of the working surface of the first electrode is maximally proportional to the lattice area of the second electrode ... ! 2. The source according to claim 1, characterized in that the dielectric element is made in the form of a cap and is installed inside the second electrode. ! 3. The source according to claim 1, characterized in that to increase the area of the working surface of the first electrode, it is made in the form of a metal sleeve with a disk placed on one end thereof so that the electrode disk from the inside tightly adheres to the inner surface of the bottom of the dielectric element. ! 4. The source according to claim 1, characterized in that the grating of the second electrode is formed by round-shaped holes located along the perimeter of the grating, and oblong holes located in its central part. ! 5. The source according to claim 1, characterized in that the dielectric element and the dielectric layer of the second electrode are made of the same material. ! 6. The source according to claim 1, characterized in that for stabilizing the discharge current, the high-voltage source is made

Description

Полезная модель относится к области газового анализа, а именно, к технике генерации положительно и отрицательно заряженных ионов в воздушной среде или в других газах, и может быть использовано в качестве источника ионов в спектрометрах ионной подвижности, масс-спектрометрах и других аналитических приборах.The utility model relates to the field of gas analysis, namely, to the technique of generating positively and negatively charged ions in air or in other gases, and can be used as an ion source in ion mobility spectrometers, mass spectrometers, and other analytical instruments.

Наибольшее распространение среди источников ионов для спектрометров ионной подвижности (СИП) на основе газового разряда получили источники ионов на коронном разряде. В частности, известны источники ионов для спектрометрии ионной подвижности на основе коронного разряда по патентам США №5684300, №6100698, №6225623, в которых для генерации (зажигания) коронного разряда создают сильное неоднородное поле в межэлектродном пространстве, при этом один из электродов выполняют в виде острия или тонкой проволочки малого диаметра, характерные размеры которых составляют от десятков до сотен микрон. Чаще всего используют такие виды геометрии разряда, как «острие-плоскость» или «острие-кольцо».The most widely used ion sources for ion mobility spectrometers (SIS) based on gas discharge are corona discharge ion sources. In particular, ion sources for corona-based ion mobility spectrometry are known according to US Pat. Nos. 5,684,300, 6,100,698, and 6,225,623, in which a strong inhomogeneous field is created in the interelectrode space to generate (ignite) the corona discharge, and one of the electrodes is performed in in the form of a point or thin wire of small diameter, the characteristic dimensions of which are from tens to hundreds of microns. Most often, such types of discharge geometry are used as “tip-plane” or “tip-ring”.

Основными недостатками источников ионов на коронном разряде являются их недолговечность и нестабильная работа, обусловленные изменением формы и последующим разрушением коронирующего электрода вследствие процессов катодного распыления и окисления металла химическими веществами, образующимися в разряде, такими как озон, окислы азота, атомарные радикалы и т.п.The main disadvantages of corona discharge ion sources are their fragility and unstable operation, caused by a change in shape and subsequent destruction of the corona electrode due to cathodic sputtering and metal oxidation by chemicals formed in the discharge, such as ozone, nitrogen oxides, atomic radicals, etc.

Из-за малого характерного размера коронирующего электрода в виде острия даже незначительное изменение его формы приводит к изменениям рабочих характеристик разряда, в частности, тока разряда, что отражается на аналитических характеристиках всего прибора.Due to the small characteristic size of the corona electrode in the form of a tip, even a slight change in its shape leads to changes in the discharge performance, in particular, the discharge current, which affects the analytical characteristics of the entire device.

Известен источник ионов на коронном разряде для спектрометров ионной подвижности и масс-спектрометров по патенту США №7326926, МПК Н01J 49/00, G21G 4/00, опубл. 05.02.2008 г., содержащий ионизационную камеру с расположенными в ней первым (коронирующим) электродом в виде множества остриев и вторым плоским электродом с выполненным в нем отверстием для вывода ионов из источника.A known source of corona ions for ion mobility spectrometers and mass spectrometers according to US patent No. 7326926, IPC H01J 49/00, G21G 4/00, publ. 02/05/2008, containing an ionization chamber with the first (corona) electrode in the form of a plurality of tips located in it and the second flat electrode with an opening made therein for removing ions from the source.

Такая конструкция коронирующего электрода частично решает задачу увеличения срока службы источника ионов и повышения стабильности его работы, но кардинально недостатки не устранены. Процессы разрушения металлического электрода, свойственные коронному разряду, присутствуют и в данном источнике.This design of the corona electrode partially solves the problem of increasing the life of the ion source and increasing the stability of its operation, but the cardinal disadvantages are not resolved. The processes of destruction of a metal electrode, characteristic of a corona discharge, are also present in this source.

Известно устройство для генерирования ионов в газовой среде (источник ионов), использующее барьерный разряд и описанное в патенте США №7157721, МПК H01J 49/40; H01J 49/10; H01J 49/26, опубл. 02.01.2007 г. Источник содержит диэлектрический элемент в виде пластины, к которой с противоположных сторон прикреплены электроды, отличающиеся по размеру. Как известно, форма и размеры электродов определяют параметры разряда и, соответственно, количество ионов, образующихся в источнике. В качестве варианта конструкции в данном патенте электроды выполнены в виде двух дисков разного диаметра, размещенных по обеим сторонам диэлектрической пластины. Для генерации ионов к электродам подводится высоковольтное импульсное напряжение.A device for generating ions in a gas medium (ion source) using a barrier discharge and described in US patent No. 7157721, IPC H01J 49/40; H01J 49/10; H01J 49/26, publ. January 2, 2007. The source contains a dielectric element in the form of a plate to which electrodes of different sizes are attached on opposite sides. As you know, the shape and size of the electrodes determine the parameters of the discharge and, accordingly, the number of ions formed in the source. As a design option in this patent, the electrodes are made in the form of two disks of different diameters, placed on both sides of the dielectric plate. To generate ions, a high voltage pulse voltage is applied to the electrodes.

Данный источник ионов обладает более длительным сроком службы по сравнению с источниками ионов на коронном разряде за счет увеличения размеров рабочего электрода и импульсного характера питания разряда, обусловленных иным механизмом разряда.This ion source has a longer service life compared to corona discharge ion sources due to an increase in the size of the working electrode and the pulsed nature of the discharge power due to a different discharge mechanism.

К недостаткам известного устройства следует отнести наличие контакта металлического рабочего электрода с газовой средой, который сопровождается процессами окисления и эрозии металла продуктами разряда, что приводит к разрушению металлического электрода, а также небольшую площадь рабочего электрода, следствием которой является невысокая эффективность ионизации газовой среды.The disadvantages of the known device include the presence of contact of the metal working electrode with the gaseous medium, which is accompanied by oxidation and erosion of the metal by discharge products, which leads to the destruction of the metal electrode, as well as the small area of the working electrode, which results in low ionization efficiency of the gaseous medium.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является источник ионизации для аналитических приборов на основе барьерного разряда по патенту РФ на изобретение №2405226, МПК H01J 49/10, Н01Т 23/00, опубл. 27.11.2010 г., содержащий ионизационную камеру, включающую индуцирующий электрод, прикрепленный к поверхности диэлектрической пластины, и коронирующий электрод, расположенный напротив индуцирующего электрода, а также источник импульсов высокого напряжения. Коронирующий электрод отделен от поверхности диэлектрической пластины газовым промежутком 10-100 мкм, а к ионизационной камере подключена система подачи очищенного газа, выполненная с возможностью регулирования объемной скорости газового потока.The closest in technical essence to the claimed is the ionization source for analytical instruments based on a barrier discharge according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2405226, IPC H01J 49/10, Н01Т 23/00, publ. 11/27/2010, containing an ionization chamber including an induction electrode attached to the surface of the dielectric plate, and a corona electrode located opposite the induction electrode, as well as a source of high voltage pulses. The corona electrode is separated from the surface of the dielectric plate by a gas gap of 10-100 μm, and a purified gas supply system connected to the ionization chamber is configured to control the space velocity of the gas stream.

В данном источнике, несмотря на наличие диэлектрической пластины в межэлектродном пространстве, между электродами возникает коронный разряд. Поэтому недостатки, отмеченные выше для классического коронного разряда, присутствуют и в этом устройстве. При этом рабочий (коронирующий) электрод, выполненный в виде пластины с отверстиями, имеющими заостренную рабочую кромку, или в виде кольца с закрепленными в рабочей зоне одной или несколькими тонкими металлическими проволоками, подвержен воздействию процессов эрозии и распыления, следствием которых является постепенное изменение его формы и дальнейшее разрушение, приводящие к нестабильной работе источника ионов и последующему его выходу из строя.In this source, despite the presence of a dielectric plate in the interelectrode space, a corona discharge arises between the electrodes. Therefore, the disadvantages noted above for the classical corona discharge are also present in this device. In this case, the working (corona) electrode, made in the form of a plate with holes having a pointed working edge, or in the form of a ring with one or several thin metal wires fixed in the working area, is exposed to erosion and spraying processes, the result of which is a gradual change in its shape and further destruction, leading to unstable operation of the ion source and its subsequent failure.

Кроме того, общим недостатком всех рассмотренных выше источников ионов на основе газового разряда является зависимость величины тока разряда от различных возмущающих факторов, к которым можно отнести, в частности, изменение тока разряда при изменении параметров рабочего газа (таких, как его состав, давление, температура, влажность), изменение тока вследствие нестабильностей электроники, изменения свойств электродов, например, распыления материала электродов, загрязнения их поверхности и т.п.In addition, a common drawback of all the sources of ions discussed above on the basis of a gas discharge is the dependence of the discharge current on various disturbing factors, which include, in particular, a change in the discharge current with changing parameters of the working gas (such as its composition, pressure, temperature humidity), a change in current due to instabilities in electronics, changes in the properties of electrodes, for example, sputtering of electrode material, contamination of their surface, etc.

Действие этих факторов, совместно и по отдельности, приводит к неконтролируемым изменениям величины тока разряда и выходного сигнала источника ионов, а, следовательно, к нарушению стабильной его работы и ухудшению характеристик всего прибора, в котором данный источник ионов используется.The action of these factors, together and separately, leads to uncontrolled changes in the magnitude of the discharge current and the output signal of the ion source, and, consequently, to a violation of its stable operation and deterioration of the characteristics of the entire device in which this ion source is used.

Заявленная полезная модель решает задачу создания источника ионов для газоаналитического оборудования, который обладал бы повышенной эффективностью ионизации, более длительным сроком службы и высокой стабильностью рабочих характеристик.The claimed utility model solves the problem of creating an ion source for gas analytical equipment, which would have increased ionization efficiency, longer life and high stability of performance.

Технический результат, получаемый от использования заявленной полезной модели, заключается в повышении эффективности работы устройства для получения ионного тока в газовой среде, увеличении срока его службы за счет увеличения срока службы разрядных электродов и повышении стабильности рабочих характеристик устройства путем снижения влияния ряда возмущающих факторов на ток разряда.The technical result obtained from the use of the claimed utility model is to increase the efficiency of the device for producing ion current in a gas medium, increase its service life by increasing the service life of the discharge electrodes and increasing the stability of the device’s performance by reducing the influence of a number of disturbing factors on the discharge current .

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения ионного тока в газовой среде, содержащем ионизационную камеру, включающую первый электрод, расположенный напротив него второй электрод, и диэлектрический элемент, установленный между первым и вторым электродами и плотно примыкающий к рабочей поверхности первого электрода, а также источник высоковольтного напряжения, согласно полезной модели, второй электрод выполнен в виде металлического колпачка, охватывающего диэлектрический элемент с установленным на нем первым электродом, причем донце второго электрода выполнено в виде решетки, с обеих сторон покрытой тонким диэлектрическим слоем, площадь рабочей поверхности первого электрода максимально соразмерна с площадью решетки второго электрода, а диэлектрический элемент выполнен в виде колпачка и установлен внутри второго электрода.The specified technical result is achieved in that in a device for producing an ion current in a gaseous medium containing an ionization chamber including a first electrode, a second electrode located opposite it, and a dielectric element mounted between the first and second electrodes and closely adjacent to the working surface of the first electrode, as well as a source of high voltage, according to a utility model, the second electrode is made in the form of a metal cap covering a dielectric element with an installed n It first electrode, the second electrode collum is made in the form of a lattice, with both sides covered by a thin dielectric layer, the first electrode of the working surface area commensurate with the maximum area of the lattice of the second electrode and the dielectric member is a cap and mounted within the second electrode.

Для увеличения площади рабочей поверхности первого электрода он выполнен в виде металлической втулки с диском, размещенным на одном его торце таким образом, чтобы диск электрода изнутри плотно прилегал к внутренней поверхности дна диэлектрического элемента.To increase the area of the working surface of the first electrode, it is made in the form of a metal sleeve with a disk placed on one of its end faces so that the inside of the electrode disk fits snugly against the inner surface of the bottom of the dielectric element.

Кроме того, решетка второго электрода образована отверстиями округлой формы, расположенными по периметру решетки, и отверстиями продолговатой формы, расположенными в центральной ее части.In addition, the lattice of the second electrode is formed by round-shaped holes located around the perimeter of the lattice, and oblong-shaped holes located in its central part.

Кроме того, диэлектрический элемент и диэлектрический слой второго электрода выполнены из одного материала.In addition, the dielectric element and the dielectric layer of the second electrode are made of the same material.

Кроме того, для стабилизации тока разряда источник высоковольтного напряжения выполнен в виде автогенератора на базе высоковольтного пьезотрансформатора напряжения, содержащего входную секцию возбуждения с третьим и четвертым электродами и генераторную секцию с выходным электродом, и соединен с последовательно включенными разрядным промежутком, датчиком тока, усилителем выходного сигнала датчика тока, микроконтроллером, цифровым генератором частоты и усилителем выходного сигнала, выходы которого подключены к третьему и четвертому электродам входной секции возбуждения.In addition, in order to stabilize the discharge current, the high-voltage voltage source is made in the form of an oscillator based on a high-voltage piezotransformer of voltage, containing the input excitation section with the third and fourth electrodes and the generator section with the output electrode, and is connected to the discharge gap, a current sensor, and an output signal amplifier a current sensor, a microcontroller, a digital frequency generator and an output signal amplifier, the outputs of which are connected to the third and fourth Input excitation electrodes section.

Кроме того, источник ионизации дополнительно снабжен ионно-молекулярным реактором, выполненным в виде системы коаксиально расположенных чередующихся металлических и диэлектрических кольцевых электродов, продольная ось которого совмещена с продольной осью первого электрода. При этом первый кольцевой металлический электрод ионно-молекулярного реактора электрически соединен со вторым электродом устройства, а наружный диаметр второго электрода источника не превышает внутреннего диаметра первого кольцевого металлического электрода.In addition, the ionization source is additionally equipped with an ion-molecular reactor made in the form of a system of coaxially arranged alternating metal and dielectric ring electrodes, the longitudinal axis of which is aligned with the longitudinal axis of the first electrode. In this case, the first annular metal electrode of the ion-molecular reactor is electrically connected to the second electrode of the device, and the outer diameter of the second electrode of the source does not exceed the inner diameter of the first annular metal electrode.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны: на фиг.1 представлен общий вид устройства для получения ионного тока (в разрезе); на фиг.2 первый металлический электрод; на фиг.3 - поперечное сечение второго металлического электрода; на фиг.4 общий вид второго металлического электрода; на фиг.5 показана структурная схема высоковольтного источника питания на пьезотрансформаторе (ПТР).The utility model is illustrated by drawings, in which are shown: Fig. 1 shows a general view of a device for producing ion current (in section); figure 2 the first metal electrode; figure 3 is a cross section of a second metal electrode; figure 4 General view of the second metal electrode; figure 5 shows a structural diagram of a high voltage power source on a piezotransformer (PTR).

Устройство для получения ионного тока содержит ионизационную камеру, представляющую собой ионно-молекулярный реактор 1 с размещенным в нем разрядным устройством 2, установленные в общем корпусе 3, и источник 4 высоковольтного напряжения (фиг.1).A device for producing an ion current comprises an ionization chamber, which is an ion-molecular reactor 1 with a discharge device 2 located therein, installed in a common housing 3, and a high voltage source 4 (FIG. 1).

Разрядное устройство 2 включает первый (высоковольтный) металлический электрод 5, соединенный со стержневым контактом 6 для подведения высокого напряжения, второй (индуцирующий) металлический электрод 7 специальный формы и диэлектрический элемент 8, размещенный между первым 5 и вторым 7 металлическими электродами, а также изолятор 9, установленный с внутренней стороны диэлектрического элемента 8 и предназначенный для обеспечения плотного прилегания рабочей поверхности первого электрода 5 к диэлектрическому элементу 8.The discharge device 2 includes a first (high voltage) metal electrode 5 connected to a rod contact 6 for applying a high voltage, a second (induction) metal electrode 7 of a special shape and a dielectric element 8 located between the first 5 and second 7 metal electrodes, and also an insulator 9 mounted on the inside of the dielectric element 8 and designed to ensure a snug fit of the working surface of the first electrode 5 to the dielectric element 8.

С этой целью изолятор 9 может быть выполнен, например, в виде стакана с отверстием или втулки из диэлектрического материала. В варианте исполнения изолятор 9 может вообще представлять собой диэлектрическую матрицу, в которой залит первый электрод 5 таким образом, чтобы при его плотной установке на диэлектрическом элементе 8 полностью исключить контакт металла электрода с ионизованной воздушной средой.To this end, the insulator 9 can be made, for example, in the form of a glass with a hole or a sleeve of dielectric material. In an embodiment, the insulator 9 may generally be a dielectric matrix in which the first electrode 5 is filled in such a way that when it is tightly mounted on the dielectric element 8, contact of the electrode metal with the ionized air is completely eliminated.

В варианте исполнения, показанном на чертежах, первый электрод 5 может быть выполнен, например, в виде металлической втулки 10, один торец которой снабжен диском 11 для увеличения площади разрядной поверхности, а в другом ее торце выполнено отверстие 12 для сочленения с высоковольтным контактом 6, в частности, с помощью резьбового соединения (фиг.2).In the embodiment shown in the drawings, the first electrode 5 can be made, for example, in the form of a metal sleeve 10, one end of which is provided with a disk 11 to increase the area of the discharge surface, and in its other end there is a hole 12 for coupling with a high voltage contact 6, in particular, using a threaded connection (figure 2).

Второй электрод 7 может быть выполнен в виде металлического колпачка, охватывающего диэлектрический элемент 8 с установленным внутри него первым электродом 5 (фиг.4). Донце электрода 7 является его рабочей поверхностью и представляет собой решетку 13 с выполненными в ней отверстиями 14 округлой формы, расположенными по периметру решетки, и отверстиями 15 продолговатой формы, расположенными в центральной части донца 13. При этом отверстия 14 предназначены для прокачки анализируемого газа, а отверстия 15 - для обеспечения горения разряда.The second electrode 7 can be made in the form of a metal cap covering the dielectric element 8 with the first electrode 5 installed inside it (Fig. 4). The bottom of the electrode 7 is its working surface and is a grating 13 with round holes 14 made therein, located around the perimeter of the grating, and oblong holes 15 located in the central part of the bottom 13. In this case, the holes 14 are for pumping the analyzed gas, and holes 15 - to ensure the burning of the discharge.

Чтобы обеспечить максимальную площадь горения разряда, необходимым условием является максимальная соразмерность площади рабочей поверхности первого электрода 5 с площадью решетки 13 второго электрода 7.In order to ensure the maximum combustion area of the discharge, a necessary condition is the maximum proportionality of the area of the working surface of the first electrode 5 with the area of the grating 13 of the second electrode 7.

Геометрические размеры решетки 13 (ширина, высота и расстояние между соседними отверстиями) подбираются экспериментальным путем и определяют величину ионного тока разряда и, тем самым, эффективность ионизации.The geometric dimensions of the grating 13 (width, height and distance between adjacent holes) are selected experimentally and determine the value of the ion current of the discharge and, thus, the ionization efficiency.

В варианте изготовления устройства решетка 13 может быть образована и другой конфигурацией и взаимным расположением отверстий, например, в виде переплетенных рядов проволоки, или иметь ячеистую структуру.In an embodiment of the device, the lattice 13 can be formed by another configuration and mutual arrangement of holes, for example, in the form of interwoven rows of wire, or have a cellular structure.

Поверхность решетки 13 электрода 7 с обеих сторон покрыта тонким слоем 16 из диэлектрика, который позволяет увеличить срок службы электрода за счет устранения процессов разрушения металлического электрода вследствие процессов эрозии и окисления при контакте с ионизованной воздушной средой (фиг.3).The surface of the lattice 13 of the electrode 7 on both sides is covered with a thin layer 16 of dielectric, which allows to increase the service life of the electrode by eliminating the destruction of the metal electrode due to erosion and oxidation in contact with ionized air (Fig.3).

В варианте изготовления оптимальная толщина этого слоя 16 составляет, например, порядка 10-20 мкм; более толстый слой диэлектрика усложнит зажигание разряда, а слой менее 10 мкм приведет к уменьшению срока службы электрода.In an embodiment, the optimum thickness of this layer 16 is, for example, of the order of 10-20 microns; a thicker dielectric layer will complicate the ignition of the discharge, and a layer less than 10 microns will lead to a decrease in the life of the electrode.

Диэлектрический элемент 8 также может быть выполнен в виде колпачка из диэлектрика, устанавливаемого на первый электрод 5 таким образом, чтобы диск 11 электрода 5 изнутри плотно прилегал к дну изолятора диэлектрического элемента 8.The dielectric element 8 can also be made in the form of a cap made of a dielectric mounted on the first electrode 5 so that the disk 11 of the electrode 5 fits snugly to the bottom of the insulator of the dielectric element 8.

Материал диэлектрика, из которого изготовлен диэлектрический элемент 8, разделяющий металлические электроды 5 и 7, и его толщина определяют величину разрядного тока. При этом желательно, чтобы диэлектрический элемент 8 и диэлектрический слой 16 второго электрода 7 были выполнены из одного материала, в качестве которого могут быть использованы, например, корундовая керамика, стекло, кварц, полимерный материал и т.п.The dielectric material of which the dielectric element 8 is made, separating the metal electrodes 5 and 7, and its thickness determines the value of the discharge current. In this case, it is desirable that the dielectric element 8 and the dielectric layer 16 of the second electrode 7 are made of one material, for example, corundum ceramics, glass, quartz, polymeric material, and the like.

При сборке источника ионизации разрядное устройство 2 устанавливают таким образом, что первый электрод 5, размещенный во внутренней полости изолятора 8 и зафиксированный изолятором 9, вставляют во внутреннюю полость второго электрода 7 и с помощью резьбового соединения на стержневом контакте 6 закрепляют в изоляторе 17, вмонтированном в корпус 3.When assembling the ionization source, the discharge device 2 is installed in such a way that the first electrode 5, which is located in the inner cavity of the insulator 8 and fixed by the insulator 9, is inserted into the inner cavity of the second electrode 7 and, with a threaded connection, is fixed to the pin contact 6 in the insulator 17 mounted in building 3.

Ионно-молекулярный реактор 1 функционально предназначен для вытягивания ионов из разряда и их транспортировки к выходному отверстию источника, то есть для формирования потока ионов, и выполнен в виде системы чередующихся металлических 18 и диэлектрических 19 коаксиальных кольцевых электродов, скрепленных между собой, например, с помощью пайки или склеивания. В варианте изготовления устройства, показанном на чертежах, диэлектрические кольца электродов 19 выполнены из керамики и последовательно спаяны с металлическими электродами 18. Размеры кольцевых электродов 18 и 19 выбираются так, чтобы создать внутри системы однородное поле, направленное вдоль ее продольной оси.The ion-molecular reactor 1 is functionally designed to draw ions from the discharge and transport them to the source outlet, that is, to form an ion stream, and is made in the form of a system of alternating metal 18 and dielectric 19 coaxial ring electrodes bonded to each other, for example, using soldering or bonding. In the embodiment of the device shown in the drawings, the dielectric rings of the electrodes 19 are made of ceramic and sequentially soldered to the metal electrodes 18. The sizes of the ring electrodes 18 and 19 are selected so as to create a uniform field inside the system along its longitudinal axis.

Металлические электроды 18 связаны между собой высокоомным делителем (на чертежах не показан), предназначенным для подачи напряжения на ионно-молекулярный реактор 1.The metal electrodes 18 are interconnected by a high-resistance divider (not shown in the drawings), designed to supply voltage to the ion-molecular reactor 1.

Ионно-молекулярный реактор 1 установлен в изоляторе 17 корпуса 3 таким образом, чтобы продольная ось системы кольцевых электродов 18 и 19 проходила через центр диска 11 электрода 5, т.е. совпадала с продольной осью разрядного устройства 2. Первый кольцевой металлический электрод 18 ионно-молекулярного реактора 1 электрически соединен со вторым электродом 7 разрядного устройства 2. При этом в варианте выполнения устройства, показанном на фиг.1, наружный диаметр второго электрода 7 не превышает внутреннего диаметра первого кольцевого электрода 18 для обеспечения плотной установки одного в другом.The ion-molecular reactor 1 is installed in the insulator 17 of the housing 3 so that the longitudinal axis of the ring electrode system 18 and 19 passes through the center of the disk 11 of the electrode 5, i.e. coincided with the longitudinal axis of the discharge device 2. The first annular metal electrode 18 of the ion-molecular reactor 1 is electrically connected to the second electrode 7 of the discharge device 2. Moreover, in the embodiment of the device shown in FIG. 1, the outer diameter of the second electrode 7 does not exceed the inner diameter the first ring electrode 18 to ensure tight installation of one in the other.

Кроме того, в корпусе 3 заявленного устройства выполнено отверстие 20 для ввода газа в ионно-молекулярный реактор 1 и выходное отверстие 21 для вывода ионов и прокачки газа, которое является выходным отверстием источника ионизации и может быть непосредственно присоединено к спектрометру ионной подвижности или, с помощью дополнительных устройств ввода, к масс-спектрометру.In addition, in the housing 3 of the claimed device, there is a hole 20 for introducing gas into the ion-molecular reactor 1 and an outlet 21 for outputting ions and pumping gas, which is the outlet of the ionization source and can be directly connected to the ion mobility spectrometer or, using additional input devices to the mass spectrometer.

Источник 4 высоковольтного напряжения (фиг.5) выполнен в виде автогенератора на базе высоковольтного пьезотрансформатора (ПТР) 22 напряжения, содержащего входную секцию возбуждения 23 с третьим 24 и четвертым 25 электродами и генераторную секцию 26 с выходным электродом 27.The high-voltage voltage source 4 (Fig. 5) is made in the form of an oscillator based on a high-voltage piezotransformer (PTR) 22 voltage containing the input excitation section 23 with the third 24 and fourth 25 electrodes and the generator section 26 with the output electrode 27.

Кроме того, в состав источника 4 напряжения входят также последовательно включенные датчик тока 28, усилитель 29 выходного сигнала датчика тока 28, микроконтроллер 30, цифровой генератор частоты 31 и усилитель 32 выходного сигнала, выходы которого подключены к третьему 24 и четвертому 25 электродам входной секции возбуждения 23. При этом выходной электрод 27 пьезотрансформатора 22 подключен к первому электроду 5 разрядного устройства 2, а второй электрод 7 разрядного устройства 2 соединен через емкостную развязку (например, высоковольтный конденсатор) с датчиком тока 28.In addition, the voltage source 4 also includes a series-connected current sensor 28, an amplifier 29 of the output signal of the current sensor 28, a microcontroller 30, a digital frequency generator 31 and an amplifier 32 of the output signal, the outputs of which are connected to the third 24 and fourth 25 electrodes of the input excitation section 23. In this case, the output electrode 27 of the piezotransformer 22 is connected to the first electrode 5 of the discharge device 2, and the second electrode 7 of the discharge device 2 is connected via capacitive isolation (for example, high-voltage condensate p) with a current sensor 28.

Цифровой генератор частоты 31 предназначен для формирования входных импульсов пьезотрансформатора 22 с частотой, близкой к резонансной частоте, которые затем усиливаются усилителем 32 и подаются на третий и четвертый электроды 24 и 25, соответственно, входной секции возбуждения 23.The digital frequency generator 31 is designed to form the input pulses of the piezotransformer 22 with a frequency close to the resonant frequency, which are then amplified by the amplifier 32 and supplied to the third and fourth electrodes 24 and 25, respectively, of the input excitation section 23.

Датчик тока 28, усилитель 29 выходного сигнала датчика тока 28 и микроконтроллер 30 образуют цепь, предназначенную для стабилизации тока разряда.The current sensor 28, the amplifier 29 of the output signal of the current sensor 28 and the microcontroller 30 form a circuit designed to stabilize the discharge current.

Устройстве для получения ионного тока работает следующим образом.A device for producing ion current operates as follows.

Газовую смесь подают через отверстие 20 в корпусе 3 в разрядное устройство 2 и прокачивают ее через ионно-молекулярный реактор 1 в направлении выходного отверстия 21.The gas mixture is fed through the hole 20 in the housing 3 into the discharge device 2 and pumped through the ion-molecular reactor 1 in the direction of the outlet 21.

На высокоомный делитель ионно-молекулярного реактора 1 от внешнего источника напряжения подают постоянное высокое напряжение определенной полярности. Величина данного напряжения выбирается в соответствии с конфигурацией системы кольцевых электродов (геометрическими размерами и числом кольцевых электродов 18 и 19) для создания внутри ионно-молекулярного реактора 1 однородного постоянного поля величиной порядка 200-300 В/см, направленного вдоль оси кольцевых электродов 18 и 19 от разрядного устройства 2 к выходному отверстию 21 источника ионов.A constant high voltage of a certain polarity is supplied to the high-resistance divider of the ion-molecular reactor 1 from an external voltage source. The magnitude of this voltage is selected in accordance with the configuration of the ring electrode system (geometric dimensions and the number of ring electrodes 18 and 19) to create a uniform constant field of about 200-300 V / cm inside the ion-molecular reactor 1 along the axis of the ring electrodes 18 and 19 from the discharge device 2 to the outlet 21 of the ion source.

Высоковольтное переменное напряжение частотой 80 кГц, амплитудой порядка 3-3,5 кВ от источника 4 высоковольтного напряжения подается на электроды 5 и 7 разрядного устройства 2. При этом между рабочей поверхностью (решеткой 13) второго электрода 7 и диэлектрическим элементом 8 возникает барьерный разряд и образуются ионы молекул анализируемых веществ и воздуха.A high-voltage alternating voltage with a frequency of 80 kHz, an amplitude of the order of 3-3.5 kV from a source 4 of high-voltage voltage is supplied to the electrodes 5 and 7 of the discharge device 2. In this case, a barrier discharge arises between the working surface (grating 13) of the second electrode 7 and the dielectric element 8 and ions of molecules of the analyzed substances and air are formed.

Под действием постоянного поля, созданного системой кольцевых электродов ионно-молекулярного реактора 1, в зависимости от полярности приложенного напряжения, ионы определенной полярности вытягиваются из разряда, поступают в ионно-молекулярный реактор 1 и движутся в сторону выходного отверстия 21 источника ионов. По мере движения ионов в ионно-молекулярном реакторе 1 может осуществляться дополнительная ионизация исследуемых веществ в ионно-молекулярных реакциях между образованными в разряде ионами воздуха и молекулами анализируемых веществ. При этом ионно-молекулярный реактор 1 позволяет увеличить время пребывания анализируемых веществ в источнике ионов, что способствует повышению количества образующихся ионов анализируемых веществ. Далее через выходное отверстие 21 ионы подаются в аналитический прибор.Under the action of a constant field created by the ring electrode system of the ion-molecular reactor 1, depending on the polarity of the applied voltage, ions of a certain polarity are pulled out of the discharge, enter the ion-molecular reactor 1 and move towards the outlet 21 of the ion source. As the ions move in the ion-molecular reactor 1, additional ionization of the test substances in ion-molecular reactions between the air ions formed in the discharge and the molecules of the analytes can take place. In this case, the ion-molecular reactor 1 allows to increase the residence time of the analyzed substances in the ion source, which helps to increase the number of generated ions of the analyzed substances. Then, through the outlet 21, the ions are fed into the analytical instrument.

Источник 4 высоковольтного напряжения на ПТР работает следующим образом. Цифровой генератор частоты 31, подключенный к внешнему источнику напряжения, формирует импульсы с частотой, близкой к резонансной частоте пьезотрансформатора 22. Затем эти импульсы усиливаются усилителем 32 и подаются на третий 24 и четвертый 25 электроды. На выходном электроде 27 пьезотрансформатора 22 формируется синусоидальное напряжение величиной порядка 3-3,5 кВ. Это напряжение пропорционально амплитуде и частоте импульсов, поступающих на электроды 24 и 25 от усилителя 32 выходного сигнала.The source 4 of the high voltage voltage on the PTR works as follows. A digital frequency generator 31 connected to an external voltage source generates pulses with a frequency close to the resonant frequency of the piezotransformer 22. These pulses are then amplified by an amplifier 32 and supplied to the third 24 and fourth 25 electrodes. A sinusoidal voltage of about 3-3.5 kV is generated at the output electrode 27 of the piezotransformer 22. This voltage is proportional to the amplitude and frequency of the pulses supplied to the electrodes 24 and 25 from the amplifier 32 of the output signal.

Для обеспечения стабилизации тока разряда используют датчик тока 28, усилитель 29 выходного сигнала датчика тока 28 и микроконтроллер 30. Ток разряда пропорционален напряжению на выходном электроде 27 пьезотрансформатора 22. При этом датчик тока 28 вырабатывает сигнал, пропорциональный току разряда, который усиливается усилителем 29 и поступает на вход АЦП микроконтроллера 30, с помощью которого входной сигнал оцифровывается, текущее значение тока разряда сравнивается с заданным (зафиксированным в памяти микроконтроллера 30), и по результатам сравнения цифровому генератору частоты 31 выдаются сигналы управления для подстройки частоты. Изменение частоты следования импульсов цифровым генератором частоты 31 приводит к изменению напряжения на выходном электроде 27 пьезотрансформатора 22, а значит, и к пропорциональному изменению тока разряда.To stabilize the discharge current, a current sensor 28, an amplifier 29 of the output signal of the current sensor 28, and a microcontroller 30 are used. The discharge current is proportional to the voltage at the output electrode 27 of the piezotransformer 22. In this case, the current sensor 28 generates a signal proportional to the discharge current, which is amplified by the amplifier 29 and enters to the input of the ADC of the microcontroller 30, with which the input signal is digitized, the current value of the discharge current is compared with the set value (recorded in the memory of the microcontroller 30), and according to the results with avneniya digital frequency generator 31 outputs control signals to adjust the frequency. Changing the pulse repetition rate by a digital frequency generator 31 leads to a change in voltage at the output electrode 27 of the piezotransformer 22, and hence to a proportional change in the discharge current.

Тем самым использование ПТР 22 дает возможность при невысоком входном напряжении (например, 5 В) получить на выходе высокое напряжение порядка 3 кВ, что снижает потребляемую мощность устройства и позволяет использовать его в компактных приборах с низким энергопотреблением.Thus, the use of PTR 22 makes it possible at low input voltage (for example, 5 V) to obtain a high voltage of the order of 3 kV at the output, which reduces the power consumption of the device and allows its use in compact devices with low power consumption.

Использование заявленного устройства для получения ионного тока позволяет увеличить срок службы аналитического прибора, в частности, по сравнению с источниками ионов на коронном разряде, уменьшить его габариты и энергопотребление, исключить необходимость периодической калибровки и подстройки оборудования, замены составных частей источника, вышедших из строя, уменьшить габариты и энергопотребление аналитического прибора, а также повысить его чувствительность и достоверность анализа.The use of the claimed device for producing ion current allows to increase the service life of the analytical instrument, in particular, in comparison with the sources of ions in the corona discharge, to reduce its dimensions and power consumption, to eliminate the need for periodic calibration and adjustment of equipment, to replace the components of the source that have failed, to reduce dimensions and power consumption of the analytical instrument, as well as increase its sensitivity and reliability of the analysis.

Повышение эффективности работы устройства осуществляется за счет включения в его состав ионно-молекулярного реактора, который позволяет увеличить время пребывания анализируемых веществ в источнике ионов, тем самым повышая количество образующихся ионов аналита, а также выполняет функцию вытягивания ионов из разряда и их транспортировку к выходному отверстию устройства, то есть формирование потока ионов.Improving the efficiency of the device is carried out by including in its composition an ion-molecular reactor, which allows you to increase the residence time of the analytes in the ion source, thereby increasing the number of analyte ions generated, and also performs the function of drawing ions from the discharge and transporting them to the outlet of the device , that is, the formation of a stream of ions.

Покрытие индуцирующего электрода тонким слоем диэлектрика дает возможность исключить процессы окисления и эрозии металлических электродов, приводящие к их разрушению, и тем самым также увеличить срок службы устройства. Особая форма электродов разряда, использованная в заявленном устройстве, позволяет осуществить более эффективную ионизацию молекул газовой среды, а реализация режима работы разряда со стабилизацией тока позволяет снизить колебание величины тока разряда, тем самым повысив стабильность рабочих характеристик устройства для получения ионного тока.Coating the induction electrode with a thin layer of dielectric makes it possible to eliminate the processes of oxidation and erosion of metal electrodes, leading to their destruction, and thereby also increase the service life of the device. The special shape of the discharge electrodes used in the claimed device allows for more efficient ionization of the molecules of the gaseous medium, and the implementation of the discharge mode of operation with current stabilization reduces the fluctuation of the discharge current, thereby increasing the stability of the operating characteristics of the device for obtaining ion current.

Данное устройство для получения ионного тока в газовой среде представляется перспективным для компактных, портативных приборов, длительно работающих в автономном режиме с требованием отсутствия регулярного обслуживания и низким энергопотреблением.This device for producing ion current in a gaseous medium seems promising for compact, portable devices that operate autonomously for a long time, requiring the absence of regular maintenance and low power consumption.

Claims

1. An ionization source based on a barrier discharge, comprising an ionization chamber including a first electrode, a second electrode located opposite it, and a dielectric element mounted between the first and second electrodes and adjacent to the working surface of the first electrode, as well as a high voltage source, characterized in that the second electrode is made in the form of a metal cap covering a dielectric element with a first electrode mounted on it, and the bottom of the second electrode is made in the form of a lattice, with both sides covered by a thin dielectric layer and the first electrode of the working surface area commensurate with the maximum area of the lattice of the second electrode.

2. The source according to claim 1, characterized in that the dielectric element is made in the form of a cap and is installed inside the second electrode.

3. The source according to claim 1, characterized in that to increase the area of the working surface of the first electrode, it is made in the form of a metal sleeve with a disk placed on one of its ends so that the inside of the electrode disk fits snugly against the inner surface of the bottom of the dielectric element.

4. The source according to claim 1, characterized in that the lattice of the second electrode is formed by round-shaped holes located around the perimeter of the lattice, and oblong-shaped holes located in its central part.

5. The source according to claim 1, characterized in that the dielectric element and the dielectric layer of the second electrode are made of one material.

6. The source according to claim 1, characterized in that to stabilize the discharge current, the high-voltage voltage source is made in the form of an oscillator based on a high-voltage piezotransformer.

7. The source according to claim 6, characterized in that the high-voltage piezotransformer contains an input excitation section with a third and fourth electrodes and a generator section with an output electrode and is connected to a discharge gap, a current sensor, an output signal amplifier of a current sensor, a microcontroller, a digital a frequency generator and an output signal amplifier, the outputs of which are connected to the third and fourth electrodes of the input excitation section.

8. The source according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with an ion-molecular reactor made in the form of a system of coaxially arranged alternating metal and dielectric ring electrodes.

9. The source of claim 8, characterized in that the longitudinal axis of the ion-molecular reactor is aligned with the longitudinal axis of the first electrode.

10. The source of claim 8, characterized in that the first annular metal electrode of the ion-molecular reactor is electrically connected to the second electrode of the ion source.

11. The source of claim 8, characterized in that the outer diameter of the second electrode of the source does not exceed the inner diameter of the first annular metal electrode.