RU156985U1 - Камера ионизационного детектора для определения состава газа - Google Patents

Abstract

Камера ионизационного детектора для определения состава газа, выполненная в виде корпуса, отличающаяся тем, что одна из стенок корпуса является катодом, внутри корпуса по центру противоположной стенки корпуса, перпендикулярно к ней и изолированно от нее слоем диэлектрика, расположен анод, а противоположная катоду стенка корпуса выполнена в виде измерительного электрода для измерения тока внутри камеры.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области определения состава газовых смесей и позволяет производить качественный и количественный анализ примесей в основном газе.

Известны ионизационные детекторы, которые позволяют определять наличие примеси в газе по изменению ионизационного тока при возбуждении этого газа, например [1-3]. Эти детекторы имеют малые размеры и могут работать при различном давлении, вплоть до атмосферного, однако не позволяют достоверно судить о химическом составе газа.

Также существует патент US 5,532,599 [4], который включает ионизацию атомов или молекул примесей при столкновениях с частицами определенной энергии (метастабильными атомами гелия) в ионизационной камере, измерение тока заряженных частиц на электрод, находящийся в указанной камере, в зависимости от подаваемого на него напряжения, определение наличия примесей по току на электрод. Однако указанный способ позволяет только установить факт появления примеси в основном газе и не позволяет провести непосредственно ее качественный анализ (идентификация молекул или атомов примесей) и количественный анализ (определение концентрации примесей).

Существует изобретение со способом анализа химического состава газов, которое позволяет проводить качественный и количественный анализ широкого класса веществ в широком диапазоне давлений вплоть до атмосферного и выше, а также ионизационного детектора для осуществления предложенного способа, который бы имел малые размеры, простую конструкцию и мог работать в широком диапазоне давлений анализируемых газов, в том числе, без использования средств вакуумной откачки [5]. Однако данное изобретение работает при условии нелокальности плазмы, когда длина энергетической релаксации электрона λ_ε превышает длину разрядного объема L, то есть

что существенно ограничивает размеры камеры (λ_ε*p≤5 см торр для атомарных газов, λ_ε*р≤1 см торр для молекулярных газов)Предлагаемая ионизационная камера для определения состава газов может быть использована как в качестве самостоятельного средства анализа, так и в детекторах, газовых хроматографах, анализаторах атомарного состава пробы в источниках с индуктивно-связанной плазмой, анализаторах состава твердых образцов, включая сплавы, и в средствах контроля газовой среды в различных технологических процессах.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, является общим для всей группы заявленных устройств (способа определения состава газовых смесей и ионизационного детектора для анализа примесей в газах), и состоит в существенном упрощении схем питания для работы газоразрядного источника и блоков регистрации, снижении стоимости указанного оборудования, а также повышении экспрессности, точности и чувствительности качественного и количественного анализа смесей газов за счет возможности работы ионизационной камеры в двух режимах - нелокальном {1} и локальном, когда длина энергетической релаксации электрона λ_ε меньше длины разрядного объема L, то есть

Единственным ограничением на минимальный размер ионизационной камеры является закон Пашена

где постоянные A и B зависят от рода газа, p - давление, d - расстояние между катодом и анодом. V - напряжение пробоя, γ - эффективный коэффициент вторичной эмиссии с катода, L - расстояние между катодом и анодом.[6]

Исходя из кривых Пашена (См. Фиг. 3), при атмосферном давлении размеры разрядной камеры могут быть порядка нескольких миллиметров.

Указанные параметры являются крайне важными, например, для использования предлагаемого изобретения в детекторах для газовой хроматографии. Заявленная полезная модель может быть использована как в качестве самостоятельного средства анализа, так и в газовых хроматографах, анализаторах состава твердых образцов, включая сплавы, и в средствах контроля газовой среды в различных технологических процессах.

Реализация технического результата осуществляется с помощью анализа примесей газов в основном газе по регистрации спектров пеннинговских электронов по вольт-амперной характеристике с измерительного электрода.

Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что середина анода, который выполнен в виде стержня, находится на расстоянии L≤L_min, соответствующей минимуму кривой Пашена, от катода. По этой причине при незначительных изменениях парциального давления в ионизационной камере (при вводе примеси), а также изменении параметров плазмы, будет возможна вариация по длине разрядного промежутка. Другими словами разряд будет «сам выбирать» свою длину так, чтобы при изменении условий она соответствовала стабильному горению вблизи L_min минимума кривой Пашена при минимальном напряжении пробоя V=V_min между катодом и анодом. L_min определяется из формулы {3}

Для обоснования расширения области применимости метода в локальном режиме работы ионизационной камеры, когда ее минимальный размер выбирается, исходя из закона Пашена, используется теория, описанная в [7].

При подаче сканирующего потенциала в виде пилы на измерительный электрод будет сниматься его вольт-амперной характеристики. При этом при дифференцировании вольт-амперной характеристики по сканирующему потенциалу в его ионной части будут наблюдаться особенности: 1) для нелокального режима горения разряда, когда характерный плазменный объем меньше длины энергетической релаксации электрона (L>λ_ε) будут видны пики с максимумами, соответствующими группам электронов образовавшихся в результате реакции

(атом примеси + метастабильный гелий -> ион примеси + гелий + пеннинговский электрон). 2) для локального режима горения разряда будут видны «ступеньки», которые будут соответствовать также, как и в нелокальном режиме, группам электронов, образовавшихся в результате реакции {4}. Определение концентрации примесей и метастабильньгх атомов определяется аналогично изложенному в патенте [5].

Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3

Заявленная полезная модель (Фиг. 1) содержит корпус (1), одной из стенок которого является плоский катод (2), а противоположная стенка корпуса с отверстием для анода выполнена в виде электрода для измерения тока внутри камеры (3), анод (4), выполненный в виде стержня, центр которого отстоит от катода на расстоянии, соответствующему минимуму кривой Пашена {1}, при этом анод изолирован от электрода для измерения слоем диэлектрика (5).

На Фиг. 2 представлена иллюстрация поведения микроразряда при изменении разрядного промежутка. Данная иллюстрация показывает, что при разрядном промежутке равном не более величины, соответствующей минимуму величины напряжения пробоя на кривой Пашена параметры разряда остаются постоянными.

На Фиг. 3 представлена кривая Пашена для различных газов. A - для H₂, B - для воздуха, C - для CO₂, D - для NO, E - для SO₂. Исходя из параметров, которые выбираются для эксперимента, вычисляется минимальное расстояние между катодом и анодом.

На Фиг. 4 в качестве примеров конкретной реализации заявленной полезной модели представлены зависимости величины тока и напряжения разряда от времени при зазорах между стержневым анодом и плоским катодом в 1.7 мм. при давлении 200 Торр. Желтым показано сканирующее отрицательное напряжение в виде пилы в зависимости от времени, а зеленым - вторая производная тока с измерительного электрода по сканирующему потенциалу от времени.

На Фиг. 5 представлена обработка экспериментальных результатов, указанных на фиг. 4. По оси абсцисс отложена энергия электронов, по оси ординат - функция распределения электронов от их энергии.

На Фиг. 6 в качестве примеров конкретной реализации заявленной полезной модели представлены зависимости величины тока и напряжения разряда от времени при зазорах между стержневым анодом и плоским катодом в 3 мм. при давлении 13.4 Торр. Желтым показано сканирующее отрицательное напряжение в виде пилы в зависимости от времени, а зеленым - вторая производная тока с измерительного электрода от времени.

На Фиг. 7 представлена обработка экспериментальных результатов, указанных на фиг. 6. По оси абсцисс отложена энергия электронов, по оси ординат - функция распределения электронов от их энергии

Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. Первоначально производится ее настройка. Для этого нужно подать напряжение на вход (U~300V) на разрядный промежуток через балластное сопротивление (2). После пробоя между стержневым анодом и плоским катодом зажигается разряд. К измерительному электроду подключают дополнительный источник, подающий сканирующее отрицательное напряжение в виде пилы (размахом не более 20 В относительно плавающего потенциала). При этом измеряют с помощью амперметра величину тока в цепи с измерительным электродом и анодом. Обрабатывая измеряемую зависимость тока на измерительный электрод от приложенного напряжения, определяют количество электронов с характеристическими значениями энергии, возникающих при ионизации указанных атомов или молекул примеси, далее судят о составе примесей по параметрам этих электронов.

Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.

В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: повышение стабильности тлеющего микроразряда атмосферного давления при токах до 10 mA и межэлектродных расстояниях порядка mm.

Тестовые режимы работы газоразрядного устройства приведены в примерах.

Пример 1.

Расстояние между плоским катодом (3) и стержневым анодом (4) составляло 1.7 mm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг.4) видно, что разряд стабильно горит при токах около 9 mA при 200 Торр.

Пример 2.

Расстояние между плоским катодом (3) и игольчатым анодом (4) составляло 3 mm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг.4) видно, что разряд стабильно горит при токах около 1.5 mА при 13.4 Торр

Техническо-экономическая эффективность ионизационной камеры состоит в упрощении ее технической реализации за счет возможности регистрации пеннинговских электронов с характерными энергиями для каждой примеси в газе и соответствующего анализа этих примесей в локальном режиме. При этом размеры ионизационной камеры для атмосферных давлений будут составлять порядка несколько мм, в отличие от нелокального режима, когда размеры ионизацонной камеры должны быть порядка микрона. Кроме того, будет повышена точность и чувствительность качественного и количественного анализа смесей газов, за счет увеличения площади измерительного электрода.

Список использованной литературы:

1. Wentworth et al. US Patent 5,317,271.

2. Zhu et al. US Patent 5,192,865.

3. Wentworth et al. US Patent 5,153,519

4. Steam et al. US Patent 5,532,599.

5. Патент РФ RU 2217739 (прототип)

6. Ю.П. Райзер Физика газового разряда.

7. В.И. Демидов, Н.Б. Колоколов, А.А. Кудрявцев Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы.

Claims (1)

1. Камера ионизационного детектора для определения состава газа, выполненная в виде корпуса, отличающаяся тем, что одна из стенок корпуса является катодом, внутри корпуса по центру противоположной стенки корпуса, перпендикулярно к ней и изолированно от нее слоем диэлектрика, расположен анод, а противоположная катоду стенка корпуса выполнена в виде измерительного электрода для измерения тока внутри камеры.

   

Images