RU2467304C2

RU2467304C2 - System for trapping trace amounts of particles

Info

Publication number: RU2467304C2
Application number: RU2010150915/05A
Authority: RU
Inventors: Стефен Н. БАНКЕР (US); Стефен Н. БАНКЕР
Original assignee: Имплант Сайенсиз Корпорейшн
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2012-11-20
Also published as: RU2010150915A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: group of inventions relates to a manual portable device for extracting and trapping desired particles from a desired surface and a method of extracting and trapping desired particles using the device. The device has a reservoir with liquefied carbon dioxide under pressure and at least pulse valve linked to said reservoir. The device also has at least one expansion chamber linked to at least one pulse valve to form an aerosol mixture of particles of frozen carbon dioxide and gaseous carbon dioxide. At least one expansion chamber is linked to at least two nozzles meant for directing jets of the aerosol mixture for overlapping in essentially one focal point downstream at least nozzles. The device has a particle transporting component which provides sucking flow into a hole which draws particles from the aerosol mixture and desired particles extracted by impact action on particles of the aerosol mixture. The device also has a trapping medium for accumulating particles drawn in the sucking flow and a means of assisting the operator to position the device at an optimum distance from the desired surface. The optimum distance is defined by the common focal point of the jets of the aerosol mixture from at least two nozzles lying outside the desired surface.

EFFECT: high accuracy and rate of analysing surface particles while reducing the cost of the work.

22 cl, 4 dwg

Description

Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Область техники, к которой относится изобретение1. The technical field to which the invention relates.

Настоящее изобретение относится к детектированию следовых количеств химических веществ, и более конкретно к улавливанию частиц веществ с поверхности, чтобы обеспечить высвобождение, перенос и улавливание частиц.The present invention relates to the detection of trace amounts of chemicals, and more particularly to the capture of particles of substances from a surface to allow release, transfer and capture of particles.

2. Уровень техники2. The level of technology

Существует широкое многообразие приборов для химического анализа, которые способны детектировать и идентифицировать целевые частицы следовых количеств химических веществ («целевых химических веществ»), как только образец частиц помещают в прибор и затем испаряют. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, спектрометры ионной подвижности, масс-спектрометры, газовые хроматографы, сенсоры на поверхностных акустических волнах, наномеханические кантилеверные сенсоры и электронозахватные детекторы. Подобным образом, существует несколько подходов, которые могут быть реализованы для транспортирования целевых частиц в прибор, часть которых реализована в самой конструкции прибора, и часть, которая может потребовать действий оператора для выполнения переноса. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, механическое транспортирование собранного образца в прибор, вакуумное улавливание паров или частиц, и вихревой вакуумный отбор проб.There is a wide variety of chemical analysis instruments that are capable of detecting and identifying target particles of trace amounts of chemicals (“target chemicals”) as soon as a sample of particles is placed in the instrument and then evaporated. Examples include, but are not limited to, ion mobility spectrometers, mass spectrometers, gas chromatographs, surface acoustic wave sensors, nanomechanical cantilever sensors, and electron capture detectors. Similarly, there are several approaches that can be implemented to transport the target particles to the device, some of which are implemented in the device design itself, and a part that may require operator action to perform the transfer. Examples include, but are not limited to, mechanical transportation of the collected sample to the instrument, vacuum capture of vapors or particles, and vortex vacuum sampling.

Целевые частицы оказываются связанными с поверхностью слабыми химическими связями, силами Ван-дер-Ваальса, механическим сцеплением с волокнистой или пористой структурой, адгезионными силами, электростатическим притяжением или захватом липким материалом, таким как смазка. Для некоторых целевых химических веществ, таких как наркотики и взрывчатые вещества, поверхностные адгезионные взаимодействия могут быть относительно сильными, делая затруднительным удаление целевых частиц простыми способами переноса с низким импульсом силы, такими как сдувание струей воздуха. Удаление таких прочно прилипших целевых частиц сдуванием воздухом обычно является успешным только для самых крупных или самых тяжелых целевых частиц, которые обеспечивают наибольшую площадь поверхности для выдувающего воздуха. В основном же выдувающий воздух с трудом удаляет целевые частицы взрывчатых веществ или наркотиков с жестких поверхностей, только с гибких поверхностей, таких как ткань, где вибрирующее движение материала и высокая пористость становятся средством механического перемещения целевых частиц. Даже в случае ткани обычно требуется очень высокая скорость потока выдувающего воздуха для достижения любого результата, и то только для самых крупных целевых частиц, так что способ является весьма неэффективным.Target particles appear to be bonded to the surface by weak chemical bonds, van der Waals forces, mechanical adhesion to a fibrous or porous structure, adhesive forces, electrostatic attraction, or trapping by sticky material such as a lubricant. For some target chemicals, such as drugs and explosives, surface adhesion interactions can be relatively strong, making it difficult to remove target particles with simple low-momentum transfer methods, such as air blasting. Removing such firmly adhered target particles by blowing off air is usually successful only for the largest or heaviest target particles that provide the largest surface area for blowing air. Basically, blowing air hardly removes target particles of explosives or drugs from hard surfaces, only from flexible surfaces, such as fabric, where the vibrating movement of the material and high porosity become a means of mechanical movement of the target particles. Even in the case of a fabric, a very high flow rate of blowing air is usually required to achieve any result, and then only for the largest target particles, so the method is very inefficient.

В некоторых случаях способ отбора образца начинается с того, что оператор или устройство физически вытирает испытуемую поверхность («целевую поверхность») абсорбентом, часто текстурированной субстанцией, такой как химическая фильтровальная бумага. Целевые частицы представляющего интерес химического вещества затем могут быть перенесены и сконцентрированы на поверхностной текстуре поглотителя или в таковой путем механического вытирающего действия. Этот промежуточный поглотитель затем вносят в зону действия детектирующего прибора для проведения измерения. Способ вытирания в основном действует надежно и эффективно, но может быть дорогостоящим, поскольку обычно нужно часто заменять среду, и зачастую требуется обученный оператор. Кроме того, операторы устают, и у них не получается вытирать каждый раз в точности одинаковым образом.In some cases, the sampling method begins with the operator or device physically wiping the test surface (“target surface”) with an absorbent, often a textured substance, such as chemical filter paper. The target particles of the chemical of interest can then be transferred and concentrated on the surface texture of the absorber or, as such, by a mechanical wiping action. This intermediate absorber is then introduced into the range of the detection device for measurement. The wiping method generally works reliably and efficiently, but can be costly since it is usually necessary to frequently replace the medium, and a trained operator is often required. In addition, the operators get tired, and they can’t wipe every time in exactly the same way.

Существуют многочисленные варианты применения, в которых может быть желательной возможность избежать вытирания поверхности вручную. Сюда входит, например, отбор образцов без оператора, отбор образцов с большой площади поверхности, дистанционный отбор проб, роботизированный отбор образцов, поверхности, где физический контакт неприемлем, и ситуации, в которых неприемлема частая замена вытирающих материалов, возможно, вследствие высокой стоимости. В этих случаях может быть желательным лучший способ извлечения целевых частиц с поверхности, чем простое сдувание воздухом.There are numerous applications in which it may be desirable to avoid manually wiping the surface. This includes, for example, sampling without an operator, sampling from a large surface area, remote sampling, robotic sampling, surfaces where physical contact is unacceptable, and situations in which frequent replacement of wiping materials is unacceptable, possibly due to the high cost. In these cases, a better method of extracting the target particles from the surface than simply blowing with air may be desirable.

Известно бесконтактное устройство для очистки кремниевых полупроводниковых пластин. Например, смотри патентный документ US 5,931,721 авторов Rose и др., “Aerosol Surface Processing” («Аэрозольная поверхностная обработка»). Аэрозоли жидкостей или твердых веществ используют для сошлифовывания загрязняющих частиц и пленок с поверхности кремниевой пластины без повреждения полупроводниковых устройств, ранее сформированных на пластине. Это устройство предназначено для очистки пластины, и не предпринималось никаких попыток улавливать полученные частицы для химического анализа. Кроме того, в дополнение к аэрозольной поверхностной обработке требуются другие операции очистки, такие как промывание водой.A contactless device for cleaning silicon semiconductor wafers is known. For example, see US Patent Document 5,931,721 to Rose et al., “Aerosol Surface Processing”. Aerosols of liquids or solids are used to sand contaminants and films from the surface of a silicon wafer without damaging the semiconductor devices previously formed on the wafer. This device was designed to clean the plate, and no attempt was made to capture the resulting particles for chemical analysis. In addition, in addition to aerosol surface treatment, other cleaning operations, such as washing with water, are required.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

В соответствии с одним аспектом системы здесь описано устройство для извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности. Устройство включает резервуар с находящимся под давлением сжиженным диоксидом углерода (“CO₂”) для аэрозоля, по меньшей мере один импульсный клапан, по меньшей мере одну расширительную камеру для сжиженного диоксида углерода, по меньшей мере два сопла для направления аэрозольной смеси на целевую поверхность, которые сообщаются с источником сжатого сжиженного диоксида углерода, по меньшей мере одним импульсным клапаном и по меньшей мере одной расширительной камерой, создание разрежения, обеспечивающего всасывающее течение в отверстие, которое увлекает частицы замерзшего диоксида углерода («сухого льда») из аэрозольной смеси и целевых химических частиц, извлеченных в результате ударного воздействия частиц сухого льда из аэрозольной смеси, и улавливающую среду для накопления частиц, увлеченных во всасывающем течении. Расширительная камера может включать камеру со сплошными стенками непосредственно ниже по потоку относительно указанного импульсного клапана. Всасывающее течение в отверстие может быть охвачено по окружности вращающимся вихревым потоком. Улавливающая среда может включать по меньшей мере одну из фильтра, адсорбирующей поверхности с химическим покрытием, металлической сетки, трехмерного металлического тканого материала, металлической проволоки, металлической фольги, многослойного материала из металла и электрического изолятора или резистивного покрытия на субстрате. Улавливающая среда может представлять собой создающий электрическое поле электрод, размещенный по существу перпендикулярно направлению течения газа через указанную улавливающую среду. Улавливающая среда может быть расположена выше по потоку относительно указанного отверстия. Улавливающая среда может быть размещена внутри указанного отверстия. Резервуар может представлять собой баллон под давлением для сжиженного диоксида углерода. Когда резервуар представляет собой баллон под давлением для сжиженного диоксида углерода, твердые частицы для аэрозольной смеси могут образовываться в результате замораживающего действия во время свободного расширения указанного сжиженного газа в расширительной камере, в которой первая часть жидкости испаряется с поглощением энергии, и вторая часть жидкости замораживается в частицы с выделением энергии. Аэрозольная смесь может подаваться импульсами через предварительно заданные промежутки времени, и аэрозольные частицы могут подаваться в соответствии с подачей сжатого газообразного СО₂, которая сопровождается образованием аэрозольных частиц сухого льда в расширительной камере.In accordance with one aspect of the system, an apparatus for collecting and capturing target particles from a target surface is described herein. The device includes a tank with pressurized liquefied carbon dioxide (“CO ₂ ”) for aerosol, at least one pulse valve, at least one expansion chamber for liquefied carbon dioxide, at least two nozzles for directing the aerosol mixture to the target surface, which communicate with the source of compressed liquefied carbon dioxide, at least one pulse valve and at least one expansion chamber, creating a vacuum that provides suction flow into the hole which entrains particles of frozen carbon dioxide (“dry ice”) from the aerosol mixture and target chemical particles extracted as a result of the impact of the particles of dry ice from the aerosol mixture, and a trapping medium for the accumulation of particles entrained in the suction flow. The expansion chamber may include a chamber with solid walls immediately downstream of said pulse valve. The suction flow into the hole can be swept around the circumference by a rotating vortex flow. The capture medium may include at least one of a filter, a chemically coated adsorbent surface, a metal mesh, a three-dimensional metal woven fabric, a metal wire, a metal foil, a metal laminate and an electrical insulator or resistive coating on a substrate. The trapping medium may be an electric field generating electrode placed substantially perpendicular to the direction of gas flow through said trapping medium. The capture medium may be located upstream of the specified hole. The trapping medium can be placed inside said hole. The reservoir may be a pressure vessel for liquefied carbon dioxide. When the reservoir is a pressurized container for liquefied carbon dioxide, solids for the aerosol mixture can be formed as a result of a freezing action during the free expansion of said liquefied gas in an expansion chamber in which the first part of the liquid evaporates with energy absorption and the second part of the liquid freezes in particles with the release of energy. The aerosol mixture can be supplied in pulses at predetermined intervals, and the aerosol particles can be supplied in accordance with the supply of compressed gaseous CO ₂ , which is accompanied by the formation of aerosol particles of dry ice in the expansion chamber.

В соответствии с еще одним аспектом системы здесь описан способ извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности. Создают аэрозольную смесь, включающую аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода, диспергированные в сжатом газе. Аэрозольную смесь направляют на целевую поверхность, включающую целевые частицы. Аэрозольные частицы ударяются о целевые частицы, обусловливая удаление целевых частиц с целевой поверхности и заставляя целевые частицы включаться в течение сжатого газа с аэрозольными частицами. Также создают всасывающее течение, в которое вовлекается поток целевых частиц, аэрозольных частиц и сжатого газа. Частицы, увлеченные всасывающим течением, собираются на фильтрующем субстрате. Способ также может включать подачу сжатого газа и аэрозольной смеси синхронизированными импульсами и подачу аэрозольных частиц в соответствии с синхронизированными импульсами. Способ также может включать комбинирование сжатого газа с аэрозольными частицами с образованием аэрозольной смеси. Всасывающее течение может быть создано с использованием всасывающего течения под разрежением в отверстие. Всасывающее течение под разрежением в отверстие может быть по окружности ограничено вращающимся вихревым потоком. Сжатый газ и аэрозольная смесь могут быть поданы синхронизированными импульсами от 0,01 секунды до 1 секунды.In accordance with another aspect of the system, a method for recovering and collecting target particles from a target surface is described herein. An aerosol mixture is created comprising aerosol particles of frozen carbon dioxide dispersed in a compressed gas. The aerosol mixture is directed to the target surface, including the target particles. Aerosol particles hit the target particles, causing the target particles to be removed from the target surface and causing the target particles to turn on during the compressed gas with the aerosol particles. A suction flow is also created in which the flow of target particles, aerosol particles and compressed gas is involved. Particles carried away by the suction flow are collected on a filter substrate. The method may also include supplying compressed gas and aerosol mixture with synchronized pulses and supplying aerosol particles in accordance with synchronized pulses. The method may also include combining compressed gas with aerosol particles to form an aerosol mixture. The suction flow can be created using the suction flow under vacuum in the hole. The suction flow under vacuum in the hole may be circumferentially limited by a rotating vortex flow. Compressed gas and aerosol mixture can be supplied by synchronized pulses from 0.01 seconds to 1 second.

Генератор аэрозоля может быть сопряжен с другими компонентами системы, используемыми в сочетании с детектором следовых количеств химических веществ. Применение аэрозольной смеси для удаления целевых частиц может быть проведено без оператора или протирания в контакте с целевой поверхностью.The aerosol generator can be paired with other system components used in combination with a trace chemical detector. The use of an aerosol mixture to remove target particles can be carried out without operator or rubbing in contact with the target surface.

Вариант исполнения системы удаления частиц может включать компонент удаления частиц, компонент транспортирования частиц и компонент улавливания частиц. Компонент удаления частиц может включать генератор аэрозоля, который оснащен источником сжатого газа для выдувания аэрозольных частиц замороженного диоксида углерода в сторону целевой поверхности, которая может быть загрязнена следовыми количествами частиц целевых химических веществ. Источник сжатого газа может действовать в импульсном режиме. Типичный импульс может составлять между 0,01 секунды и 1 секундой. Множество по меньшей мере из двух сопел может быть предусмотрено для направления аэрозольной смеси в сторону фокальной точки на коротком расстоянии вне целевой поверхности таким образом, что эта точка представляет собой объект компонента транспортирования частиц в системе удаления частиц.An embodiment of a particle removal system may include a particle removal component, a particle conveying component, and a particle collection component. The particle removal component may include an aerosol generator that is equipped with a compressed gas source for blowing the frozen carbon dioxide aerosol particles towards a target surface that may be contaminated with trace amounts of particles of the target chemicals. The source of compressed gas can act in a pulsed mode. A typical impulse may be between 0.01 seconds and 1 second. A plurality of at least two nozzles may be provided for directing the aerosol mixture toward the focal point at a short distance outside the target surface so that this point is an object of the particle transport component in the particle removal system.

Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут быть твердыми, но не жидкими. Частицы замороженного диоксида углерода могут возгоняться при температуре окружающей среды. Возгонка аэрозольных частиц замороженного диоксида углерода гарантирует, что они будут исчезать из компонента улавливания частиц, а также из окружающей среды вскоре после импульса.Aerosol particles of frozen carbon dioxide may be solid, but not liquid. Particles of frozen carbon dioxide can be sublimated at ambient temperature. Sublimation of aerosol particles of frozen carbon dioxide ensures that they will disappear from the particle capture component as well as from the environment shortly after the pulse.

Генератор аэрозоля может генерировать частицы для аэрозоля путем свободного расширения сжиженного диоксида углерода до уровня атмосферного давления, в результате чего образуются частицы замороженного диоксида углерода. Указанные замороженные частицы затем могут быть увлечены и смешаны с одновременно образующимся газообразным диоксидом углерода, или, необязательно, скомбинированы со вторым потоком из отдельного источника сжатого газа, используемого в качестве ускорителя.The aerosol generator can generate particles for the aerosol by freely expanding the liquefied carbon dioxide to atmospheric pressure, resulting in the formation of particles of frozen carbon dioxide. These frozen particles can then be entrained and mixed with the simultaneously formed gaseous carbon dioxide, or optionally combined with a second stream from a separate source of compressed gas used as an accelerator.

Материал аэрозольных частиц замороженного диоксида углерода может быть выбран так, чтобы не вызывать существенного повреждения целевой поверхности. Аэрозольные частицы с высокой твердостью, такие как оксид кремния или оксид алюминия, являются абразивными и могут повреждать целевую поверхность в результате высокоскоростного ударного воздействия. Диоксид углерода представляет собой оксид и не имеет температуры воспламенения, что может быть отмечено как важная характеристика, когда работают с тонко измельченными материалами.The aerosol material of the frozen carbon dioxide particles can be selected so as not to cause significant damage to the target surface. High hardness aerosol particles such as silica or alumina are abrasive and can damage the target surface as a result of high speed impact. Carbon dioxide is an oxide and does not have a flash point, which can be noted as an important characteristic when working with finely ground materials.

Аэрозольная смесь из замороженного диоксида углерода может быть нетоксичной и безопасной для людей и животных, если только аэрозоль не направлять в глаза. Аэрозольная смесь из замороженного диоксида углерода может подаваться импульсами во избежание чрезмерных выбросов в замкнутое пространство, поскольку остаточный газообразный диоксид углерода может вытеснять кислород из воздуха.The frozen carbon dioxide aerosol mixture may be non-toxic and safe for humans and animals, unless the aerosol is directed into the eyes. An aerosol mixture of frozen carbon dioxide can be pulsed to prevent excessive emissions into an enclosed space, since residual gaseous carbon dioxide can displace oxygen from the air.

Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут оказывать ударное воздействие на целевые частицы на целевой поверхности и обеспечивать передачу импульса, достаточного для извлечения целевых частиц с целевой поверхности и увлечения их в струе газа, транспортирующего аэрозольные частицы. Извлеченные целевые частицы и аэрозольные частицы затем могут быть собраны компонентом транспортирования частиц. Аэрозольная смесь замороженного диоксида углерода может высвобождать целевые частицы по меньшей мере одним путем из: физического столкновения между аэрозольными частицами и целевыми частицами, резкой сублимации, создающей локальный импульс газа, когда аэрозольные частицы контактируют с поверхностью при комнатной температуре, импульса сжатого газа, сопровождающего аэрозольную смесь, и охлаждения целевой частицы так, что изменяются ее адгезивные свойства.Aerosol particles of frozen carbon dioxide can have an impact on the target particles on the target surface and provide a sufficient momentum to extract the target particles from the target surface and entrain them in a stream of gas transporting the aerosol particles. The recovered target particles and aerosol particles can then be collected by the particle transport component. The aerosol mixture of frozen carbon dioxide can release the target particles in at least one of the following ways: physical collision between the aerosol particles and the target particles, sharp sublimation, creating a local gas impulse when the aerosol particles come in contact with the surface at room temperature, a pulse of compressed gas accompanying the aerosol mixture , and cooling the target particle so that its adhesive properties change.

Компонент транспортирования частиц типично может представлять собой либо простое всасывающее течение под разрежением в отверстие, или всасывающее течение под разрежением в отверстие, которое по окружности ограничено вращающимся вихревым потоком. Аэрозольные частицы и извлеченные целевые частицы могут быть сметены во всасывающее течение под разрежением и затем могут быть транспортированы в улавливающую частицы среду, связанную с системой удаления частиц.The particle transport component can typically be either a simple suction flow under vacuum in the hole, or a suction flow under vacuum in the hole, which is circumferentially limited by a rotating vortex flow. Aerosol particles and recovered target particles can be swept into the suction flow under vacuum and then transported to a particle trapping medium associated with the particle removal system.

Компонент улавливания частиц может представлять собой любой из многообразных фильтров для частиц, обычно используемых в связи со способами улавливания частиц. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, сетчатый фильтр, трехмерную тканую сетку, фильтр, изготовленный из общеупотребительных фильтрующих материалов, абсорбирующую поверхность, которая может иметь химическое покрытие для усиления адгезии, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, и специально сконструированный материал с мелкими протравленными отверстиями для пропускания воздуха, но задерживания частиц.The particle capture component may be any of a variety of particle filters commonly used in connection with particle capture methods. Examples include, but are not limited to, a strainer, a three-dimensional woven mesh, a filter made from commonly used filter materials, an absorbent surface that may have a chemical coating to enhance adhesion, a vortex particle separator, an electrostatic particle collector, and a specially designed material with fine etched openings for passing air but retaining particles.

Согласно описываемой здесь системе устройство для извлечения и улавливания целевых частиц с целевой поверхности включает резервуар для сжиженного и сжатого диоксида углерода, по меньшей мере один импульсный клапан, сообщающийся с указанным резервуаром, по меньшей мере одну расширительную камеру в сообщении с указанным по меньшей мере одним импульсным клапаном для формирования аэрозольной смеси из частиц замороженного диоксида углерода и газообразного диоксида углерода, по меньшей мере два сопла в сообщении с указанной по меньшей мере одной расширительной камерой для направления струй указанной аэрозольной смеси, по существу перекрывающихся в единичной фокальной точке ниже по потоку относительно указанных по меньшей мере двух сопел, создание разрежения, обеспечивающего всасывающее течение в отверстие, которое увлекает частицы из указанной аэрозольной смеси и целевые частицы, извлеченные путем ударного воздействия указанных частиц из указанной аэрозольной смеси, и улавливающую среду для накопления указанных частиц, увлеченных в указанном всасывающем течении. Всасывающее течение в отверстие может быть по окружности охвачено вращающимся вихревым потоком. Расширительная камера может включать входное отверстие, которое имеет меньшее поперечное сечение, чем выходное отверстие. Улавливающая среда может включать по меньшей мере фильтр, адсорбирующую поверхность с химическим покрытием, металлическую сетку, трехмерный металлический тканый материал, металлическую проволоку, металлическую фольгу, многослойный материал из металла и электрического изолятора и/или резистивное покрытие на субстрате. Улавливающая среда может быть размещена выше по потоку относительно указанного отверстия. Улавливающая среда может быть размещена внутри указанного отверстия. Резервуар может представлять собой контейнер под давлением для сжиженного газообразного диоксида углерода. Сжиженный диоксид углерода под движением может формировать аэрозольную смесь, когда он преобразуется отчасти в твердые частицы замороженного диоксида углерода и отчасти в газообразный диоксид углерода, при расширении в расширительной камере до атмосферного давления. Аэрозольная смесь может быть подана импульсами через предварительно заданные промежутки времени, и указанные аэрозольные частицы могут быть поданы в соответствии с подачей указанного сжатого газа. Клапан может создавать импульсы жидкого диоксида углерода, продолжительность которых составляет более 10 миллисекунд и менее 1 секунды. Разрежение может быть создано крыльчаткой всасывающего вихревого насоса. Устройство также может включать вторую подачу сжатого газа, чтобы способствовать транспортированию указанной аэрозольной смеси. Вторая подача сжатого газа может быть реализована добавлением в расширительную камеру или соосно с направлением течения из сопла и в направлении указанной аэрозольной смеси. Сжатый газ второй подачи может представлять собой воздух, азот, аргон и/или диоксид углерода. Устройство также может включать средство для помощи оператору в позиционировании устройства на оптимальном расстоянии от целевой поверхности. Средство для позиционирования устройства может представлять собой ультразвуковой дальномер, по меньшей мере две указки на основе твердотельного лазера, и/или датчик оптического отражения. Устройство также может включать средство для определения, достаточен ли поток жидкого диоксида углерода для улавливания целевых частиц. Средство для определения жидкостного потока может представлять собой температурный датчик, смонтированный на сопле, датчик оптического отражения, регистрирующий отражательную способность аэрозольной смеси, трансмиссионный оптический сенсор, регистрирующий непрозрачность аэрозольной смеси, и/или ультразвуковой датчик для измерения плотности жидкого или газообразного диоксида углерода.According to the system described here, the device for extracting and collecting target particles from the target surface includes a reservoir for liquefied and compressed carbon dioxide, at least one impulse valve in communication with said reservoir, at least one expansion chamber in communication with said at least one impulse a valve for forming an aerosol mixture of particles of frozen carbon dioxide and gaseous carbon dioxide, at least two nozzles in communication with the specified at least e one expansion chamber to direct the jets of the specified aerosol mixture, essentially overlapping at a single focal point downstream relative to the at least two nozzles, creating a vacuum that provides suction flow into the hole, which entrains the particles from the specified aerosol mixture and the target particles extracted by impact of said particles from said aerosol mixture, and a capture medium for accumulating said particles entrained in said suction flow. The suction flow into the hole may be surrounded by a rotating vortex flow around the circumference. The expansion chamber may include an inlet that has a smaller cross section than the outlet. The capture medium may include at least a filter, a chemically coated adsorbent surface, a metal mesh, a three-dimensional metal woven fabric, a metal wire, a metal foil, a metal and electrical insulator laminate, and / or a resistive coating on a substrate. The capture medium may be located upstream of said opening. The trapping medium can be placed inside said hole. The reservoir may be a pressure container for liquefied carbon dioxide gas. Liquefied carbon dioxide under movement can form an aerosol mixture when it is converted partly into solid particles of frozen carbon dioxide and partly into gaseous carbon dioxide, when expanded in an expansion chamber to atmospheric pressure. The aerosol mixture can be supplied in pulses at predetermined intervals, and these aerosol particles can be supplied in accordance with the supply of the specified compressed gas. The valve can create pulses of liquid carbon dioxide, the duration of which is more than 10 milliseconds and less than 1 second. Vacuum can be created by the impeller of the suction vortex pump. The device may also include a second supply of compressed gas to facilitate transport of said aerosol mixture. The second compressed gas supply can be implemented by adding to the expansion chamber or coaxially with the direction of flow from the nozzle and in the direction of the specified aerosol mixture. The compressed gas of the second feed may be air, nitrogen, argon and / or carbon dioxide. The device may also include means to assist the operator in positioning the device at an optimal distance from the target surface. The device positioning means may be an ultrasonic rangefinder, at least two solid state laser pointers, and / or an optical reflection sensor. The device may also include means for determining whether liquid carbon dioxide stream is sufficient to capture the target particles. The means for determining the liquid flow may be a temperature sensor mounted on the nozzle, an optical reflection sensor that detects the reflectivity of the aerosol mixture, a transmission optical sensor that detects the opacity of the aerosol mixture, and / or an ultrasonic sensor for measuring the density of liquid or gaseous carbon dioxide.

Дополнительно, в соответствии с описываемой здесь системой, целевые частицы с целевой поверхности извлекают и улавливают в стадиях, в которых создают аэрозольную смесь замороженного диоксида углерода, включающую аэрозольные частицы, диспергированные в сжатом газе, направляют указанную аэрозольную смесь на указанную целевую поверхность, включающую указанные целевые частицы, причем указанные аэрозольные частицы оказывают ударное воздействие на указанные целевые частицы, обусловливая удаление указанных целевых частиц с указанной целевой поверхности и обеспечивая вовлечение указанных целевых частиц в поток указанного сжатого газа с указанными аэрозольными частицами, создают всасывающее течение, в которое направляются указанные потоки указанных целевых частиц, указанных аэрозольных частиц и указанного сжатого газа, и улавливают указанные частицы, увлеченные указанным всасывающим течением. Извлечение и улавливание целевых частиц с целевой поверхности также может включать подачу указанного сжатого газа синхронизированными импульсами, и подачу указанных аэрозольных частиц согласованно с указанными синхронизированными импульсами. Извлечение и улавливание целевых частиц с целевой поверхности также может включать комбинирование указанного сжатого газа с указанными аэрозольными частицами с образованием указанной аэрозольной смеси. Всасывающее течение может быть создано с использованием всасывающего течения под разрежением в отверстие. Всасывающее течение под разрежением в отверстие может быть ограничено по окружности вращающимся вихревым потоком.Additionally, in accordance with the system described here, the target particles from the target surface are recovered and captured in stages in which an aerosol mixture of frozen carbon dioxide is formed, including aerosol particles dispersed in compressed gas, and the aerosol mixture is directed to the specified target surface, including the specified target particles, said aerosol particles having an impact on said target particles, causing removal of said target particles from said target wail surfaces and ensuring engagement of said target particles to a stream of said pressurized gas with said aerosol particles create a suction flow, which is directed into said flow of said target particles, said aerosol particles, and said pressurized gas and capture said particles entrained said suction passage. Removing and capturing the target particles from the target surface may also include supplying said compressed gas with synchronized pulses, and delivering said aerosol particles in accordance with said synchronized pulses. Removing and capturing the target particles from the target surface may also include combining said compressed gas with said aerosol particles to form said aerosol mixture. The suction flow can be created using the suction flow under vacuum in the hole. The suction flow under vacuum in the hole can be limited around the circumference by a rotating vortex flow.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Система описана здесь с привлечением нескольких фигур из чертежей, в которых:The system is described here with the involvement of several figures from the drawings, in which:

Фиг.1 представляет пример варианта исполнения системы воздушной струи для удаления следовых количеств частиц согласно прототипу.Figure 1 represents an example of an embodiment of an air jet system for removing trace amounts of particles according to a prototype.

Фиг.2 представляет пример варианта исполнения системы удаления следовых количеств частиц с использованием замороженного диоксида углерода, которая может быть использована в связи с раскрытыми здесь способами.Figure 2 is an example of an embodiment of a system for removing traces of particles using frozen carbon dioxide, which can be used in connection with the methods disclosed herein.

Фиг.3 представляет пример второго варианта исполнения системы удаления следовых количеств частиц с использованием замороженного диоксида углерода, которая может быть использована в связи с описанной здесь системой.Figure 3 represents an example of a second embodiment of a system for removing traces of particles using frozen carbon dioxide, which can be used in connection with the system described here.

Фиг.4 представляет пример третьего варианта исполнения системы удаления следовых количеств частиц с использованием замороженного диоксида углерода, которая может быть использована в связи с описанной здесь системой.Figure 4 is an example of a third embodiment of a system for removing traces of particles using frozen carbon dioxide, which can be used in connection with the system described here.

Подробное описаниеDetailed description

Теперь с привлечением Фиг.1 показан пример варианта исполнения системы 10 воздушной струи для удаления следовых количеств частиц согласно прототипу. Система 10 воздушной струи включает источник 11 сжатого газа, регулировочный клапан 12, соединительный трубопровод 13 и трубку 16 в сообщении с выходным соплом 17. Сжатый газ выходит из сопла 17 в зоне 18. Воздушную струю направляют с помощью сопла 17 в сторону целевой поверхности 19, где воздух сдувает частицы 20 с целевой поверхности 19, тем самым удаляя прилипшие частицы. Транспортирование частиц производят с помощью всасывающего насоса 21, втекающий поток которого увлекает как окружающий воздух, так и целевые частицы 20. Целевые частицы 20 собирают на фильтрующей среде 22. Когда образец был собран, фильтрующую среду 22 переносят к входному отверстию детектора следовых количеств химических веществ. Этот прототипный вариант исполнения имеет тот недостаток, что сдувающий воздух 18 недостаточен для удаления частиц с многих типов целевых поверхностей 19, и всасывающий насос 21 недостаточно обеспечивает транспортирование частиц из мест за пределами короткого расстояния от входного отверстия.Now, with reference to FIG. 1, an example of an embodiment of an air stream system 10 for removing trace amounts of particles according to the prior art is shown. The air stream system 10 includes a source of compressed gas 11, a control valve 12, a connecting pipe 13 and a pipe 16 in communication with the outlet nozzle 17. The compressed gas leaves the nozzle 17 in the zone 18. The air stream is directed by the nozzle 17 toward the target surface 19, where air blows off particles 20 from target surface 19, thereby removing adhering particles. Particles are transported using the suction pump 21, the inflowing stream of which entrains both ambient air and the target particles 20. The target particles 20 are collected on the filter medium 22. When the sample has been collected, the filter medium 22 is transferred to the inlet of the detector of trace amounts of chemicals. This prototype embodiment has the disadvantage that the blowing air 18 is insufficient to remove particles from many types of target surfaces 19, and the suction pump 21 does not sufficiently transport particles from places outside a short distance from the inlet.

Теперь с привлечением Фиг.2 показан пример первого варианта исполнения системы улавливания следовых количеств частиц, которая может быть использована в связи с описываемыми здесь способами системы удаления частиц. В то время как различные варианты исполнения могут различаться в деталях, Фиг.2 показывает базовые признаки описываемой здесь системы. Система 100 улавливания частиц, иллюстрированная в Фиг.2, представляет собой ручную портативную систему, но принципы могут быть применимыми к более габаритным, немобильным системам. Часть системы, предназначенная для удаления частиц, состоит из резервуара 111 для сжиженного диоксида углерода, соединительного трубопровода 112, импульсного клапана 113, расширительной камеры 114, соединительного трубопровода 115 к соплу 116, и струи 117 аэрозольной смеси, содержащей частицы замороженного диоксида углерода и сжатый газ, направленной на целевую поверхность 118. Часть системы, предназначенная для транспортирования частиц, состоит из крыльчатки вентилятора 119, скомпонованного как всасывающий вихревой насос. Вентилятор 119 выдувает вытекающий наружу поток 120 воздуха, который закручивается вокруг оси крыльчатки вентилятора 119 и направляется в сторону целевой поверхности 118 с помощью окружающего корпуса 121. Втекающий внутрь поток 122 воздуха увлекает следовые количества частиц 123 и транспортирует их к улавливающему субстрату 124.Now, with reference to FIG. 2, an example of a first embodiment of a system for capturing trace amounts of particles that can be used in connection with the methods for particle removal described herein is shown. While various embodiments may vary in detail, FIG. 2 shows the basic features of the system described herein. The particle capture system 100 illustrated in FIG. 2 is a hand-held portable system, but the principles may be applicable to larger, non-mobile systems. Part of the system designed to remove particles consists of a tank 111 for liquefied carbon dioxide, a connecting pipe 112, a pulse valve 113, an expansion chamber 114, a connecting pipe 115 to a nozzle 116, and a spray 117 of an aerosol mixture containing particles of frozen carbon dioxide and compressed gas directed to the target surface 118. Part of the system for transporting particles consists of a fan impeller 119, arranged as a suction vortex pump. The fan 119 blows out the outgoing air stream 120, which is twisted around the axis of the impeller of the fan 119 and is directed towards the target surface 118 using the surrounding housing 121. The flowing in air stream 122 carries traces of particles 123 and transports them to the trapping substrate 124.

Хотя вариант исполнения, иллюстрированный в Фиг.2, включает три сопла 116 и соединительные трубопроводы 115, которые сведены к единичной расширительной камере 114, вариант исполнения компонента удаления частиц может включать переменное число этих компонентов, но при обеспечении по меньшей мере двух сопел для распределения аэрозольной смеси. Эти по меньшей мере два сопла 116 могут быть нацелены для фокусирования струй 117 аэрозольной смеси в общей для них точке, как показано в Фиг.2. Эта фокальная точка может быть расположена на коротком расстоянии от целевой поверхности 118. Будучи конфигурированными таким образом, струи 117 аэрозольной смеси взаимодействуют друг с другом и с целевой поверхностью 118, и значительная часть струи 117 аэрозольной смеси отражается обратно в сторону улавливающего субстрата 124. Если бы использовали только одно сопло 116, то взаимодействие струи 117 аэрозольной смеси и целевой поверхности 118 могло бы вызывать радиальное растекание струи 117 скорее наружу параллельно целевой поверхности 118, нежели в сторону улавливающего субстрата 124.Although the embodiment illustrated in FIG. 2 includes three nozzles 116 and connecting conduits 115, which are reduced to a single expansion chamber 114, the embodiment of the particle removal component may include a variable number of these components, but providing at least two nozzles for aerosol distribution mixtures. These at least two nozzles 116 can be aimed to focus the jets 117 of the aerosol mixture at a point common to them, as shown in FIG. 2. This focal point can be located at a short distance from the target surface 118. Being configured in this way, the aerosol mixture jets 117 interact with each other and with the target surface 118, and a significant part of the aerosol mixture jet 117 is reflected back towards the capture substrate 124. If If only one nozzle 116 was used, then the interaction of the jet 117 of the aerosol mixture and the target surface 118 could cause the jet 117 to radially spread outward parallel to the target surface 118 rather than in side of the capture substrate 124.

Аэрозольные частицы могут представлять собой замороженный диоксид углерода. Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут возгоняться при комнатной температуре. Выход сжиженного диоксида углерода из импульсного клапана 113 в расширительную камеру 114 позволяет первой порции жидкости поглощать энергию и превращаться в газообразный диоксид углерода, и второй порции жидкости выделять энергию и замерзать в мелкие частицы замороженного диоксида углерода, тем самым формируя струю 117 аэрозольной смеси.Aerosol particles may be frozen carbon dioxide. Aerosol particles of frozen carbon dioxide can be sublimated at room temperature. The output of liquefied carbon dioxide from the pulse valve 113 into the expansion chamber 114 allows the first portion of the liquid to absorb energy and turn into gaseous carbon dioxide, and the second portion of the liquid to release energy and freeze into small particles of frozen carbon dioxide, thereby forming a stream 117 of aerosol mixture.

Аэрозольная смесь 117 из замороженного диоксида углерода может быть выбрана так, чтобы не причинить значительного повреждения целевой поверхности. Например, полупроводниковую кремниевую пластину с созданной картиной схемного устройства в основном можно подвергать воздействию струи без ущерба для схемы. Аэрозольная смесь 117 из диоксида углерода представляет собой оксид и не имеет температуры воспламенения, что может быть отмечено как важная характеристика при работах с тонко измельченными материалами. Струя аэрозольной смеси 117 из диоксида углерода содержит газообразный диоксид углерода, который вытесняет кислород и не поддерживает горение. Аэрозольная смесь 117 из диоксида углерода может быть нетоксичной и безопасной для людей и животных, если только не направлять ее в глаза. Аэрозольная смесь 117 из замороженного диоксида углерода может подаваться импульсами во избежание чрезмерных выбросов в замкнутое пространство, поскольку остаточный газообразный диоксид углерода может вытеснять кислород из воздуха.The frozen carbon dioxide aerosol mixture 117 may be selected so as not to cause significant damage to the target surface. For example, a semiconductor silicon wafer with a patterned circuit device can generally be exposed to the jet without affecting the circuit. Aerosol mixture 117 of carbon dioxide is an oxide and does not have a flash point, which can be noted as an important characteristic when working with finely ground materials. The stream of carbon dioxide aerosol mixture 117 contains gaseous carbon dioxide, which displaces oxygen and does not support combustion. Carbon dioxide aerosol mixture 117 may be non-toxic and safe for humans and animals, unless directed into the eyes. Frozen carbon dioxide aerosol mixture 117 may be pulsed to prevent excessive emissions into a confined space, since residual carbon dioxide gas can displace oxygen from the air.

Варианты исполнения генератора аэрозоля, иллюстрированные в связи с Фиг.2-4, включают источник сжатого газа для выдувания струи аэрозольных частиц в сторону целевой поверхности, которая может быть загрязнена следовыми количествами целевых химических веществ, таких как наркотики или взрывчатые вещества. Источник сжатого газа может действовать непрерывно или может работать в импульсном режиме. Типичный импульс может составлять между 0,01 секунды и 1 секундой так, чтобы газ и аэрозольные частицы поступали в соответствии с заданным импульсным режимом.The aerosol generator embodiments illustrated in connection with FIGS. 2-4 include a compressed gas source for blowing a stream of aerosol particles toward a target surface that may be contaminated with trace amounts of target chemicals, such as drugs or explosives. The compressed gas source may operate continuously or may operate in a pulsed manner. A typical pulse may be between 0.01 seconds and 1 second so that the gas and aerosol particles arrive in accordance with a given pulse mode.

Кроме газообразного диоксида углерода, выпускаемого из расширительной камеры 114, необязательно может быть скомбинирован дополнительный источник сжатого газа, чтобы действовать в качестве ускорителя, чтобы изолировать частицы замороженного диоксида углерода от окружающего теплого воздуха и тем самым замедлять сублимацию, или для обеспечения струе аэрозольной смеси возможности распространяться на большее расстояние от сопла. Необязательный дополнительный источник сжатого газа может быть скомбинирован с аэрозольной смесью из диоксида углерода в расширительной камере 114, или же он может быть реализован как коаксиально окружающий поток из отверстия сопла 116 и ориентированный по существу параллельно его направлению и соответственно таковому. Давление необязательного сжатого газа может составлять менее 120 фунтов на квадратный дюйм (0,827 МПа), причем это значение без труда получают с использованием маленьких компрессоров. Значительно более высокие или низкие давления также могут быть использованы в соответствии с доступностью, стоимостью и нормами техники безопасности для сжатых газов. Например, газовый баллон под высоким давлением может быть неприемлемым в общественном месте вследствие опасности взрыва в случае неправильного обращения. В варианте исполнения может быть использован любой из многочисленных различных газов, включающих, например, воздух, азот, аргон и диоксид углерода. В варианте исполнения можно также применять один или более из вышеуказанных газов по отдельности или в сочетании с одним или более другими газами.In addition to gaseous carbon dioxide discharged from the expansion chamber 114, an additional compressed gas source may optionally be combined to act as an accelerator to isolate the frozen carbon dioxide particles from the surrounding warm air and thereby slow down sublimation, or to allow the aerosol spray to spread a greater distance from the nozzle. An optional additional source of compressed gas may be combined with a carbon dioxide aerosol mixture in expansion chamber 114, or it may be implemented as coaxially surrounding a stream from a nozzle orifice 116 and oriented substantially parallel to its direction and accordingly. The pressure of the optional compressed gas may be less than 120 psi (0.827 MPa), and this value is easily obtained using small compressors. Significantly higher or lower pressures can also be used in accordance with the availability, cost and safety standards for compressed gases. For example, a high-pressure gas cylinder may be unacceptable in a public place due to the risk of explosion in case of improper handling. In an embodiment, any of a variety of different gases may be used, including, for example, air, nitrogen, argon, and carbon dioxide. In an embodiment, one or more of the above gases may also be used individually or in combination with one or more other gases.

Сопла 116, 216 и 316 в Фиг.2-4 предназначены для направления смеси аэрозольных частиц и выдувающего газа в сторону точки на целевой поверхности так, что эта точка представляет собой объект компонента транспортирования частиц в системе удаления частиц, что более подробно описано в последующих абзацах.The nozzles 116, 216 and 316 in FIGS. 2-4 are designed to direct the mixture of aerosol particles and blowing gas toward a point on the target surface so that this point is an object of the particle transport component in the particle removal system, which is described in more detail in the following paragraphs .

Аэрозольные частицы замороженного диоксида углерода могут оказывать ударное воздействие на целевые частицы на целевой поверхности и обеспечивать передачу импульса, достаточного для извлечения целевых частиц с целевой поверхности и увлечения их в сопровождающем потоке газообразного диоксида углерода, транспортирующего аэрозольные частицы. Извлеченные целевые частицы и аэрозольные частицы затем могут быть собраны компонентом транспортирования частиц. Аэрозольная смесь замороженного диоксида углерода может высвобождать целевые частицы по меньшей мере одним путем из: физического столкновения между аэрозольными частицами и целевыми частицами, резкой сублимации, создающей локальный импульс газа, когда аэрозольные частицы контактируют с поверхностью при комнатной температуре, импульса сжатого газа, сопровождающего аэрозольную смесь, и охлаждения целевой частицы так, что изменяются ее адгезивные свойства.Aerosol particles of frozen carbon dioxide can have an impact on the target particles on the target surface and provide a sufficient momentum to extract the target particles from the target surface and entrain them in the accompanying stream of carbon dioxide gas transporting the aerosol particles. The recovered target particles and aerosol particles can then be collected by the particle transport component. The aerosol mixture of frozen carbon dioxide can release the target particles in at least one of the following ways: physical collision between the aerosol particles and the target particles, sharp sublimation, creating a local gas impulse when the aerosol particles come in contact with the surface at room temperature, a pulse of compressed gas accompanying the aerosol mixture , and cooling the target particle so that its adhesive properties change.

Улавливающий субстрат 124 может представлять собой любой из множества различных материалов, или может варьировать в соответствии с тем, предусматривает ли вариант исполнения сообщение электрического заряда улавливающей среде 124. Улавливающая среда может представлять собой фильтр. Улавливающая среда может включать одно или более из следующего: адсорбирующую поверхность с химическим покрытием, металлическую сетку, трехмерный металлический тканый материал, металлическую проволоку, металлическую фольгу, многослойный материал из металла и электрического изолятора и/или резистивное покрытие на субстрате. Примеры электрически непроводящей улавливающей среды включают материалы, изготовленные из хлопка, бумаги, арамидов, полиимидов, фторуглеродов и оксида кремния. Примеры металлов и металлических покрытий включают нержавеющую сталь, алюминий, титан, никель, хром, серебро, углерод, платину и золото.The capture substrate 124 may be any of a variety of different materials, or it may vary according to whether the embodiment provides for an electrical charge to the capture medium 124. The capture medium may be a filter. The capture medium may include one or more of the following: a chemically coated adsorbent surface, a metal mesh, a three-dimensional metal woven fabric, a metal wire, a metal foil, a laminate of metal and an electrical insulator, and / or a resistive coating on a substrate. Examples of an electrically non-conductive capture medium include materials made from cotton, paper, aramides, polyimides, fluorocarbons and silicon oxide. Examples of metals and metal coatings include stainless steel, aluminum, titanium, nickel, chromium, silver, carbon, platinum and gold.

Компонент улавливания частиц может представлять собой любой из многочисленных способов, используемых в связи с улавливанием частиц. Примеры включают, но не ограничиваются таковыми, сетчатый фильтр, трехмерную тканую сетку, фильтр, изготовленный из общеупотребительных фильтрующих материалов, абсорбирующую поверхность, которая может иметь химическое покрытие для усиления адгезии, вихревой сепаратор частиц, электростатический коллектор частиц, и специально сконструированный материал с мелкими протравленными отверстиями для пропускания воздуха или еще одного газа, но который также способен задерживать частицы.The particle capture component may be any of a variety of methods used in connection with particle capture. Examples include, but are not limited to, a strainer, a three-dimensional woven mesh, a filter made from commonly used filter materials, an absorbent surface that may have a chemical coating to enhance adhesion, a vortex particle separator, an electrostatic particle collector, and a specially designed material with fine etched openings for passing air or another gas, but which is also capable of trapping particles.

В одном варианте исполнения компонент транспортирования частиц может представлять собой, например, простое всасывающее течение под разрежением в сопло или всасывающее течение под разрежением в сопло, которое по окружности ограничено вращающимся вихревым потоком. Аэрозольные частицы и извлеченные целевые частицы могут быть сметены во всасывающее течение под разрежением и затем могут быть транспортированы в улавливающую частицы среду, связанную с системой удаления частиц.In one embodiment, the particle transport component may be, for example, a simple suction flow under vacuum in the nozzle or a suction flow under vacuum in the nozzle, which is circumferentially limited by a rotating vortex flow. Aerosol particles and recovered target particles can be swept into the suction flow under vacuum and then transported to a particle trapping medium associated with the particle removal system.

Теперь с привлечением Фиг.3 показан пример второго варианта исполнения системы улавливания следовых количеств частиц, которая может быть использована в связи с описываемыми здесь способами системы удаления частиц. В то время как различные варианты исполнения могут различаться в деталях, Фиг.3 показывает базовые признаки описываемой здесь системы. Система 200 улавливания частиц, иллюстрированная в Фиг.3, представляет собой ручную портативную систему, но принципы могут быть применимыми к более габаритным, немобильным системам. Часть системы, предназначенная для удаления частиц, состоит из резервуара 211 для сжиженного диоксида углерода, соединительного трубопровода 212, импульсного клапана 213, расширительной камеры 214, соединительного трубопровода 215 к соплу 216 и струи 217 аэрозольной смеси, содержащей частицы замороженного диоксида углерода и сжатого газообразного диоксида углерода, направленной на целевую поверхность 218. Часть системы, предназначенная для транспортирования частиц, состоит из крыльчатки вентилятора 219, скомпонованного как всасывающий вихревой насос. Вентилятор 219 выдувает вытекающий наружу поток 220 воздуха, который закручивается вокруг оси крыльчатки вентилятора 219 и направляется в сторону целевой поверхности 218 с помощью окружающего корпуса 221. Втекающий внутрь поток 222 воздуха увлекает следовые количества частиц 223 и транспортирует их к улавливающему субстрату 224.Now, with reference to FIG. 3, an example of a second embodiment of a trapping system of traces of particles is shown, which can be used in connection with the methods of a particle removal system described herein. While various embodiments may vary in detail, FIG. 3 shows the basic features of the system described herein. The particle capture system 200 illustrated in FIG. 3 is a hand-held portable system, but the principles may be applicable to larger, non-mobile systems. Part of the system for removing particles consists of a tank 211 for liquefied carbon dioxide, a connecting pipe 212, a pulse valve 213, an expansion chamber 214, a connecting pipe 215 to a nozzle 216 and a spray 217 of an aerosol mixture containing particles of frozen carbon dioxide and compressed gaseous dioxide carbon directed to the target surface 218. The part of the system for transporting particles consists of a fan impeller 219, arranged as a suction vortex wc. The fan 219 blows out the outgoing air stream 220, which is twisted around the axis of the impeller of the fan 219 and is directed towards the target surface 218 using the surrounding housing 221. The flowing in air stream 222 carries traces of particles 223 and transports them to the trapping substrate 224.

Фиг.3 дополнительно иллюстрирует применение устройства, предназначенного для определения оператором оптимального расстояния от системы улавливания следовых количеств частиц до целевой поверхности 218. В этом варианте исполнения два твердотельных лазера 225 создают свои лучи 226, ориентированные для схождения в общей фокальной точке, когда целевая поверхность 218 находится на надлежащем расстоянии. В других возможных вариантах исполнения могут быть применены ультразвуковой дальномер или датчик оптического отражения. Эти другие возможные варианты исполнения требуют применения устройства для информирования оператора, когда достигнуто оптимальное расстояние. Устройство может быть в форме визуального оповещения, такой как индикатор с подсветкой шкалы, в форме слышимого оповещения, такой как характерный звук, или в тактильной форме, такой как вибратор.Figure 3 further illustrates the use of a device designed to determine the optimal distance from the trapping system of particles to the target surface 218 by the operator. In this embodiment, two solid-state lasers 225 create their beams 226 oriented to converge at a common focal point when the target surface 218 is at the proper distance. In other possible embodiments, an ultrasonic rangefinder or optical reflection sensor may be used. These other possible embodiments require the use of a device to inform the operator when the optimum distance has been reached. The device may be in the form of a visual alert, such as a dial indicator, in the form of an audible alert, such as a characteristic sound, or in tactile form, such as a vibrator.

Следует отметить, что индикатор оптимального расстояния может представлять собой любой из множества различных типов сенсоров, в соответствии с конкретными условиями применения при использовании описываемых здесь способов, и/или описанных в патентах и/или в находящихся на рассмотрении патентных заявках, которые включены здесь ссылкой.It should be noted that the optimal distance indicator may be any of a variety of different types of sensors, in accordance with the specific application conditions using the methods described here, and / or described in patents and / or pending patent applications, which are incorporated herein by reference.

Теперь с привлечением Фиг.4 показан пример третьего варианта исполнения системы улавливания следовых количеств частиц, которая может быть использована в связи с описываемыми здесь способами системы удаления частиц. В то время как различные варианты исполнения могут различаться в деталях, Фиг.4 показывает базовые признаки описываемой здесь системы. Система 300 улавливания частиц, иллюстрированная в Фиг.4, представляет собой ручную портативную систему, но принципы могут быть применимыми к более габаритным, немобильным системам. Часть системы, предназначенная для удаления частиц, состоит из резервуара 311 для сжиженного диоксида углерода, соединительного трубопровода 312, импульсного клапана 313, расширительной камеры 314, соединительного трубопровода 315 к соплу 316 и струи 317 аэрозольной смеси, содержащей частицы замороженного диоксида углерода и сжатого газообразного диоксида углерода, направленной на целевую поверхность 318. Часть системы, предназначенная для транспортирования частиц, состоит из крыльчатки вентилятора 319, скомпонованного как всасывающий вихревой насос. Вентилятор 319 выдувает вытекающий наружу поток 320 воздуха, который закручивается вокруг оси крыльчатки вентилятора 319 и направляется в сторону целевой поверхности 318 с помощью окружающего корпуса 321. Втекающий внутрь поток 322 воздуха увлекает следовые количества частиц 323 и транспортирует их к улавливающему субстрату 324.Now, with reference to FIG. 4, an example of a third embodiment of a system for capturing trace amounts of particles that can be used in connection with the methods for particle removal described herein is shown. While various embodiments may vary in detail, FIG. 4 shows the basic features of the system described herein. The particle capture system 300 illustrated in FIG. 4 is a hand-held portable system, but the principles may be applicable to larger, non-mobile systems. Part of the system for removing particles consists of a tank 311 for liquefied carbon dioxide, a connecting pipe 312, a pulse valve 313, an expansion chamber 314, a connecting pipe 315 to a nozzle 316 and a spray 317 of an aerosol mixture containing particles of frozen carbon dioxide and compressed gaseous dioxide carbon directed to target surface 318. Part of the system for transporting particles consists of a fan impeller 319, configured as a suction vortex wc. The fan 319 blows out the outgoing air stream 320, which swirls around the axis of the impeller of the fan 319 and is directed towards the target surface 318 using the surrounding housing 321. The flowing in air stream 322 carries traces of the particles 323 and transports them to the trapping substrate 324.

Фиг.4 дополнительно иллюстрирует применение датчика сжиженного диоксида углерода, предназначенного для сообщения оператору информации о том, когда сжиженный диоксид углерода заканчивается, и аэрозольная смесь с диоксидом углерода больше не может быть приготовлена. В этом варианте исполнения используют трансмиссионный оптический сенсор 326 в соединительном трубопроводе 315. Трансмиссионный оптический сенсор 326 отслеживает содержимое соединительного трубопровода 315 через прозрачную секцию соединительного трубопровода 315. Если в соединительный трубопровод 315 поступает только газообразный диоксид углерода, содержимое будет оптически прозрачным и дает первый уровень сигнала. Если трубопровод содержит аэрозольную смесь из диоксида углерода, содержимое будет оптически отражающим и дает второй уровень сигнала.4 further illustrates the use of a liquefied carbon dioxide sensor for informing the operator of when the liquefied carbon dioxide is running out and the carbon dioxide aerosol mixture can no longer be prepared. In this embodiment, the transmission optical sensor 326 is used in the connecting pipe 315. The transmission optical sensor 326 monitors the contents of the connecting pipe 315 through the transparent section of the connecting pipe 315. If only carbon dioxide gas enters the connecting pipe 315, the contents will be optically transparent and give a first signal level . If the pipeline contains an aerosol mixture of carbon dioxide, the contents will be optically reflective and give a second signal level.

В других возможных вариантах исполнения может быть предусмотрен датчик сжиженного диоксида углерода. Например, температурный датчик может быть смонтирован на сопле для регистрации холодной температуры, обусловленной замороженным диоксидом углерода, датчик оптического отражения может отмечать разницу в коэффициентах отражения газообразного диоксида углерода сравнительно с аэрозольной смесью диоксида углерода, и ультразвуковой датчик может быть использован для регистрации присутствия сжиженного диоксида углерода с более высокой плотностью по сравнению с газообразным диоксидом углерода.In other possible embodiments, a liquefied carbon dioxide sensor may be provided. For example, a temperature sensor can be mounted on a nozzle to detect cold temperature due to frozen carbon dioxide, an optical reflection sensor can detect a difference in the reflection coefficients of carbon dioxide gas compared to an aerosol mixture of carbon dioxide, and an ultrasonic sensor can be used to detect the presence of liquefied carbon dioxide with a higher density than gaseous carbon dioxide.

Все из возможных вариантов исполнения для установки датчика сжиженного диоксида углерода требуют применения устройства для информирования оператора, когда сжиженный диоксид углерода заканчивается. Устройство может быть в форме визуального оповещения, такой как индикатор с подсветкой шкалы, в форме слышимого оповещения, такой как характерный звук, или в тактильной форме, такой как вибратор.All of the possible options for installing a liquefied carbon dioxide sensor require a device to inform the operator when liquefied carbon dioxide is running out. The device may be in the form of a visual alert, such as a dial indicator, in the form of an audible alert, such as a characteristic sound, or in tactile form, such as a vibrator.

Описанная здесь система может включать другие признаки, такие как признаки, описанные в принадлежащих заявителю находящихся на рассмотрении и/или выданных патентах США и/или патентных заявках, включенных здесь ссылкой, в том числе без ограничения признаки, описанные в принадлежащих заявителю патентах США: Патент США № 7,098,672 на имя Belyakov и др., озаглавленный “Flash vapor sampling for a trace chemical detector” («Отбор образцов мгновенным испарением для детектора следовых количеств химических веществ»), Патент США № 7,244,288 на имя Belyakov и др., озаглавленный “Pulsed vapor desorber” («Импульсный паровой десорбер»), Патент США № 6,888,128 на имя Krasnobaev и др., озаглавленный “Virtual wall gas sampling for an ion mobility spectrometer” («Газоотборное устройство с виртуальной стеной для спектрометра ионной подвижности»), Патент США № 6,870,155 на имя Krasnovaev и др., озаглавленный “Modified vortex for an ion mobility spectrometer” («Модифицированный вихрь для спектрометра ионной подвижности»), Патент США № 6861646 на имя Motchkine и др., озаглавленный “Cyclone sampling nozzle for an ion mobility spectrometer” («Циклонная пробоотборная насадка для спектрометра ионной подвижности»), и Патент США № 6828795 на имя Krasnobaev и др., озаглавленный “Explosive detection system” («Система детектирования взрывчатых веществ»), Опубликованная патентная заявка США № 2006-0214580 A1 на имя Bunker и др., озаглавленная “Photoelectric ion source photocathode regeneration system” («Система регенерации фотокатода фотоэлектрического источника ионов»), и Опубликованная патентная заявка США № 2003-0155504 A1 на имя Motchkine и др., озаглавленная “Radiative sample warming for an ion mobility spectrometer” («Радиационный нагрев образца для спектрометра ионной подвижности»), все из которых включены здесь ссылкой.The system described herein may include other features, such as those described in pending and / or issued US patents and / or patent applications incorporated by reference, including, without limitation, the features described in US patents: Patent US No. 7,098,672 to Belyakov et al., Entitled “Flash vapor sampling for a trace chemical detector”, US Patent No. 7,244,288 to Belyakov et al., Entitled “Pulsed vapor d esorber ”(“ Pulse Steam Stripper ”), US Patent No. 6,888,128 to Krasnobaev et al., entitled“ Virtual wall gas sampling for an ion mobility spectrometer ”, US Patent No. 6,870,155 to Krasnovaev et al., Entitled “Modified vortex for an ion mobility spectrometer”, US Patent No. 6861646 to Motchkine et al. Entitled “Cyclone sampling nozzle for an ion mobility spectrometer "(" Cyclonic sampling nozzle for the ion mobility spectrometer "), and US Patent No. 6828795 in the name of Krasn obaev et al., entitled “Explosive detection system”, US Published Patent Application No. 2006-0214580 A1 to Bunker et al., entitled “Photoelectric ion source photocathode regeneration system” (“Photocathode Regeneration System”). photovoltaic ion source "), and US Published Patent Application No. 2003-0155504 A1 to Motchkine et al., entitled" Radiative sample warming for an ion mobility spectrometer ", all of which are included here is a link.

Другие варианты осуществления изобретения будут очевидными квалифицированным специалистам в этой области технологии по прочтении описания или при практической реализации раскрытого здесь изобретения. Предполагается, что описание и примеры должны рассматриваться только как примерные, причем подлинные область и смысл изобретения указаны в нижеследующих пунктах формулы изобретения.Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art upon reading the description or in practicing the invention disclosed herein. It is intended that the description and examples be considered only as exemplary, with the true scope and meaning of the invention indicated in the following claims.

Claims

1. A hand-held portable device for extracting and collecting target particles from a target surface, the device including:
tank with liquefied and pressurized carbon dioxide;
at least one pulse valve in communication with said reservoir;
at least one expansion chamber in communication with said at least one pulse valve for forming an aerosol mixture of particles of frozen carbon dioxide and gaseous carbon dioxide;
at least two nozzles in communication with said at least one expansion chamber for directing a jet of said aerosol mixture to shut off at substantially a single focal point downstream of said at least two nozzles;
a particle conveying component providing a suction flow into the hole that entrains particles from said aerosol mixture and target particles extracted by impacting said particles of said aerosol mixture;
a capture medium for the accumulation of particles entrained in the suction flow; and means for assisting the operator in positioning the hand-held portable device at an optimum distance from the target surface, the optimum distance being determined by the common focal point of the jets of the aerosol mixture from at least two nozzles located outside the target surface.

2. The device according to claim 1, in which the specified suction flow into the hole is circumscribed by a rotating vortex stream.

3. The device according to claim 1, in which the specified expansion chamber includes an inlet that has a smaller cross section than the outlet.

4. The device according to claim 1, in which the capture medium includes at least one of a filter, an adsorbed surface with a chemical coating, a metal mesh, a three-dimensional metal woven material, metal wire, metal foil, a multilayer material of metal and an electrical insulator or resistive coating on the substrate.

5. The device according to claim 1, in which the capture medium is placed upstream relative to the specified hole.

6. The device according to claim 1, in which the capture medium is placed inside the specified hole.

7. The device according to claim 1, wherein said reservoir is a pressure container with liquefied carbon dioxide gas.

8. The device according to claim 1, wherein said compressed liquefied carbon dioxide forms an aerosol mixture when it is converted partly into solid particles of frozen carbon dioxide and partly into gaseous carbon dioxide, when expanded to atmospheric pressure in an expansion chamber.

9. The device of claim 8, in which the specified aerosol mixture is supplied in a pulsed mode at predetermined time intervals, and the particles of the specified aerosol mixture are supplied in accordance with the supply of the specified compressed gas.

10. The device according to claim 9, in which said valve provides pulses of liquefied carbon dioxide with a duration of more than 10 ms and less than 1 s.

11. The device according to claim 1, wherein said particle transport component includes a fan impeller configured as a suction vortex pump.

12. The device according to claim 1, further comprising a second supply of compressed gas to facilitate transportation of the aerosol mixture.

13. The device according to item 12, in which the specified second supply of compressed gas is realized by at least one of: adding to the specified expansion chamber, introducing coaxially with the direction and in the direction of flow from the specified nozzle for the specified aerosol mixture.

14. The device according to item 12, in which the specified second supply of compressed gas is at least one of: air, nitrogen, argon, carbon dioxide.

15. The device according to claim 1, wherein said means for positioning the device is at least one of: an ultrasonic rangefinder, at least two pointers based on a solid-state laser or optical reflection sensor.

16. The device according to claim 1, further comprising means for determining whether the flow of liquefied carbon dioxide is sufficient to capture the target particles.

17. The device according to clause 16, in which the specified means for determining the fluid flow is at least one of: a temperature sensor mounted on the nozzle, an optical reflection sensor that detects the reflectivity of the aerosol mixture, a transmission optical sensor that detects the opacity of the aerosol mixture, an ultrasonic sensor for measuring the density of liquid or gaseous carbon dioxide.

18. A method for extracting and collecting target particles from a target surface using a hand-held portable device, the method comprising the steps of:
in a hand-held portable device create an aerosol mixture of frozen carbon dioxide, including aerosol particles dispersed in compressed gas;
directing said aerosol mixture from a hand-held portable device to said target surface including said target particles, said aerosol particles having an impact on said target particles, causing said target particles to be removed from said target surface and allowing said target particles to be included in said compressed gas stream with the indicated aerosol particles;
using a positioning device to assist the operator in positioning the hand-held portable device at an optimal distance from the target surface, the optimal distance being determined by the common focal point of the jets of the aerosol mixture from at least two nozzles located outside the target surface;
creating a suction flow into which said streams of said target particles, said aerosol particles, and said compressed gas are directed; and trapping said particles carried away by said suction flow directed to the substrate.

19. The method according to p, further comprising stages in which:
supplying said compressed gas with synchronized pulses; and
supplying said aerosol particles in accordance with said synchronized pulses.

20. The method according to claim 19, further comprising a stage in which:
combine said compressed gas with said aerosol particles to form said aerosol mixture.

21. The method according to p, in which the specified suction flow is created using the suction flow under vacuum in the hole.

22. The method according to item 21, in which the specified suction flow under vacuum in the hole is limited around the circumference by a rotating vortex flow.