RU2653061C2 - Устройство для определения состава газовых смесей - Google Patents
Устройство для определения состава газовых смесей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2653061C2 RU2653061C2 RU2016133775A RU2016133775A RU2653061C2 RU 2653061 C2 RU2653061 C2 RU 2653061C2 RU 2016133775 A RU2016133775 A RU 2016133775A RU 2016133775 A RU2016133775 A RU 2016133775A RU 2653061 C2 RU2653061 C2 RU 2653061C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas mixtures
- ionization chamber
- gas
- impurities
- cathode
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 19
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 22
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J33/00—Discharge tubes with provision for emergence of electrons or ions from the vessel; Lenard tubes
- H01J33/02—Details
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области определения состава газовых смесей, в том числе и углеродосодержащих, и позволяет производить качественный и количественный анализ примесей в основном газе. Техническо-экономическая эффективность ионизационной камеры состоит в существенном упрощении конструкции и проводимых с ее использованием работ 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 ионизационной камеры должны быть порядка микрона. За счет использования подачи дополнительного электрического импульсного сигнала перед измерительным сканированием будет производиться очистка измерительного электрода от образования различных тонких пленок, в частности углеродных, что позволит анализировать углеродосодержащие газовые смеси. Технический результат - повышение точности и чувствительности качественного и количественного анализа газовых смесей. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Предлагаемое изобретение 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], работа которого основана на ионизации 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 патент [5], который позволяет проводить качественный и количественный анализ широкого класса веществ в широком диапазоне давлений вплоть до атмосферного и выше. Ионизационный детектор имеет малые размеры, простую конструкцию и работает в широком диапазоне давлений анализируемых газов, в том числе без использования средств вакуумной откачки. Однако на ионизационный детектор накладывается условие нелокальности плазмы, когда длина энергетической релаксации электрона λε превышает длину разрядного объема L, то есть
что существенно ограничивает размеры камеры (λεр≤5 см⋅Торр для атомарных газов, λεр≤1 см⋅Торр для молекулярных газов).
Известно техническое решение [6], которое является наиболее близким по решению технической задачи к заявленному изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Известное техническое решение, которое может работать в локальном режиме, когда длина энергетической релаксации электрона λε меньше длины разрядного объема L, то есть
При этом единственным ограничением на минимальный размер ионизационной камеры является закон Пашена
где постоянные A и В зависят от рода газа, р - давление, d - расстояние между катодом и анодом, V - напряжение пробоя, γ - эффективный коэффициент вторичной эмиссии с катода, L - расстояние между катодом и анодом [7]. Исходя из кривых Пашена (см. Фиг. 3), при атмосферном давлении размеры разрядной камеры могут быть порядка нескольких миллиметров. Недостатком известной ионизационной камеры являются недостаточно высокие экспрессность анализа, точность и чувствительность.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в существенном повышении экспрессности, точности и чувствительности качественного и количественного анализа смесей газов за счет увеличения рабочей поверхности измерительного электрода, а также возможности очистки измерительного электрода ионным током за счет подачи на него перед непосредственным измерением контролируемого по времени и амплитуде импульсного электрического сигнала и возможности работы ионизационной камеры в двух режимах - нелокальном (1) и локальном (2) режимах.
Указанные параметры являются крайне важными, например, для использования в детекторах для газовой хроматографии. Заявленное изобретение может быть использовано 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 заявленного изобретения достигается за счет того, что увеличивается рабочая поверхность измерительного электрода, путем замены части боковой диэлектрической стенки на металлическую. Причем измерительный электрод будет отделен от катода слоем диэлектрика толщиной, равной расстоянию L≤Lmin, соответствующем минимуму кривой Пашена. Середина анода, который выполнен в виде стержня, будет находиться на расстоянии L≤Lmin, 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 за счет нагрева основного газа разряд будет «сам выбирать» свою длину так, чтобы при изменении условий она соответствовала стабильному горению вблизи Lmin минимума кривой Пашена при минимальном напряжении пробоя V=Vmin между катодом и анодом. В случае, если разряд замкнется на анод по минимально возможному расстоянию, то в силу увеличения рабочей поверхности измерительного электрода последний по-прежнему будет контактировать с плазмой. Длина Lmin 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 [8].
Перед подачей сканирующего потенциала на измерительный электрод будет подаваться импульсный прямоугольный сигнал с варьируемыми по времени и амплитуде характеристиками для очистки ионным током поверхности измерительного электрода. Это позволит проводить анализ углеродосодержащих газовых смесей, в том числе метан, этан и др. При подаче сканирующего потенциала в виде пилы на измерительный электрод будет сниматься его вольтамперная характеристика. 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>λε), 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 метастабильных атомов определяется аналогично изложенному в патенте [5].
Сущность заявляемого изобретения 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 анодом (3) и часть боковых стенок, отделенных от катода слоем диэлектрика (4), толщина которого равна длине анода, выполнены в виде электрода (5) для измерения тока внутри камеры. Анод (3), выполненный в виде стержня, центр которого отстоит от катода на расстоянии, соответствующем минимуму кривой Пашена, при этом анод изолирован от измерительного электрода (5) слоем диэлектрика (6).
На Фиг. 2 представлена качественная иллюстрация, демонстрирующая прямоугольный импульсный сигнал, подаваемый на измерительный электрод для его очистки и сканирующий сигнал в виде пилы.
На Фиг. 3 представлена иллюстрация поведения микроразряда при изменении разрядного промежутка. Данная иллюстрация показывает, что при длине разрядного промежутка, не превышающей длину, соответствующую минимуму напряжения пробоя на кривой Пашена, параметры разряда остаются постоянными.
На Фиг. 4 представлена кривая Пашена для различных газов: А - для Н2, В - для воздуха, С - для CO2, D - для NO, Е - для SO2. Исходя из параметров, которые выбираются для эксперимента, вычисляется минимальное расстояние между катодом и анодом.
На Фиг. 5 в качестве примера конкретной реализации заявленной полезной модели представлены зависимости второй производной зависимости тока от прикладываемого сканирующего напряжения от времени при зазорах между стержневым анодом и плоским катодом в 1.7 мм при давлении 40 Торр для различных значений разрядного тока: сплошная линия I=5 mA, пунктирная I=7 mA, штриховая I=10 mA.
Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом. Первоначально производится его настройка. Для этого нужно подать напряжение на вход (U ~ 300V) разрядного промежуток. После пробоя между стержневым анодом (3) и плоским катодом (2) зажигается разряд. К измерительному электроду (5) подключают дополнительный источник, подающий импульсный прямоугольный сигнал по величине, варьируемый от 0 до -120 В относительного плавающего потенциала в течение времени от 10 до 500 мкс. Тем самым производится ионная очистка измерительного электрода. После этого на него подается сканирующее отрицательное напряжение в виде пилы (размахом не более 30 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.
Заявленное изобретение было апробировано 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 12 mA и межэлектродных расстояниях порядка mm, а также возможности проводить анализ углеродосодержащих газовых смесей.
Тестовые режимы работы газоразрядного устройства приведены в примерах конкретной реализации.
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. 5) видно, что разряд стабильно горит при токе 5 mA при 40 Торр.
Пример 2.
Расстояние между плоским катодом (3) и стержневым анодом (4) составляло 1.7 mm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг. 5) видно, что разряд стабильно горит при токе 7 mA при 40 Торр.
Пример 3.
Расстояние между плоским катодом (3) и стержневым анодом (4) составляло 1.7 mm. По данным зависимости величины тока и напряжения разряда от времени (Фиг. 5) видно, что разряд стабильно горит при токе 10 mA при 40 Торр.
Техническо-экономическая эффективность заявленного устройства состоит в существенном повышении экспрессности, точности и чувствительности качественного и количественного анализа смесей газов за счет увеличении рабочей поверхности измерительного электрода, а также возможности проведения анализа углеродосодержащих газовых смесей за счет дополнительной очистки поверхности измерительного электрода ионным током. Техническая реализация будет выполнена 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 ионизационной камеры должны быть порядка микрона.
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. Stearn et al. US Patent 5,532,599.
5. Патент РФ RU 2217739.
6. Патент РФ 2014-12-30 / 2014154287/07(086850) (прототип).
7. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда.
8. В.И. Демидов, Н.Б. Колоколов, А.А. Кудрявцев. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы.
Claims (2)
1. Устройство для определения состава газовых смесей, выполненное в виде корпуса, одна из стенок которого выполнена в виде катода, внутри корпуса расположен анод, выполненный в виде стержня, центр которого отстоит от катода на расстоянии, полученном из экспериментальной кривой Пашена, а вторая стенка корпуса с отверстием для анода выполнена в виде измерительного электрода, отличающееся тем, что часть боковых стенок отделена от катода слоем диэлектрика на расстояние, равное длине стержневого анода, является измерительным электродом для измерения зондового тока внутри ионизационной камеры.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве катода используется исследуемый металлический образец.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016133775A RU2653061C2 (ru) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | Устройство для определения состава газовых смесей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016133775A RU2653061C2 (ru) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | Устройство для определения состава газовых смесей |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016133775A RU2016133775A (ru) | 2018-02-22 |
RU2653061C2 true RU2653061C2 (ru) | 2018-05-07 |
Family
ID=61258670
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016133775A RU2653061C2 (ru) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | Устройство для определения состава газовых смесей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2653061C2 (ru) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114216808A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-22 | 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院工程防护研究所 | 一种气体杂质检测装置及检测方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US616303A (en) * | 1898-12-20 | taylor | ||
US5532599A (en) * | 1991-02-28 | 1996-07-02 | Stearns; Stanley D. | High voltage spark excitation and ionization system including disc detector |
RU2217739C1 (ru) * | 2002-10-18 | 2003-11-27 | Кудрявцев Анатолий Анатольевич | Способ анализа газов и ионизационный детектор для его осуществления |
WO2012048308A2 (en) * | 2010-10-08 | 2012-04-12 | Photon Machines, Inc. | Spark emission particle detector |
-
2016
- 2016-08-17 RU RU2016133775A patent/RU2653061C2/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US616303A (en) * | 1898-12-20 | taylor | ||
US5532599A (en) * | 1991-02-28 | 1996-07-02 | Stearns; Stanley D. | High voltage spark excitation and ionization system including disc detector |
RU2217739C1 (ru) * | 2002-10-18 | 2003-11-27 | Кудрявцев Анатолий Анатольевич | Способ анализа газов и ионизационный детектор для его осуществления |
WO2012048308A2 (en) * | 2010-10-08 | 2012-04-12 | Photon Machines, Inc. | Spark emission particle detector |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016133775A (ru) | 2018-02-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8797041B2 (en) | Discharge ionization current detector | |
US8829913B2 (en) | Discharge ionization current detector | |
Kudryavtsev et al. | Registration of gas impurities in nonlocal plasma of helium microdischarge by an additional electrode—sensor | |
Petrović et al. | Data and modeling of negative ion transport in gases of interest for production of integrated circuits and nanotechnologies | |
Manard et al. | Liquid sampling-atmospheric pressure glow discharge as a secondary excitation source: assessment of plasma characteristics | |
Stefanović et al. | Argon metastable dynamics and lifetimes in a direct current microdischarge | |
Kudryavtsev et al. | Use of nonlocal helium microplasma for gas impurities detection by the collisional electron spectroscopy method | |
RU2653061C2 (ru) | Устройство для определения состава газовых смесей | |
US7989761B2 (en) | Gas analyzing method and gas analyzing apparatus | |
Shelley et al. | Time-resolved mass-spectral characterization of ion formation from a low-frequency, low-temperature plasma probe ambient ionization source | |
Shimizu et al. | Practicality of the thermodynamic model for quantitative ion probe microanalysis of low alloy steels | |
Stefanova et al. | Energy spectra of Penning electrons in non-local plasma at middle and high pressures | |
Demidov et al. | Short dc discharge with wall probe as a gas analytical detector | |
RU170710U1 (ru) | Камера ионизационного микроплазменного детектора для определения состава газовых смесей | |
RU156985U1 (ru) | Камера ионизационного детектора для определения состава газа | |
Wang et al. | Time-resolved emission spectroscopy and plasma characteristics of a pulsed electrolyte cathode atmospheric pressure discharge system | |
Rigoletti et al. | Performance studies of RPC detectors with new environmentally friendly gas mixtures in presence of LHC-like radiation background | |
Guillot et al. | Secondary electron emission coefficients of standard samples for GDOES | |
RU2422812C1 (ru) | Способ определения состава газовых примесей в основном газе и ионизационный детектор для его осуществления | |
Qazi et al. | The Influence of Metastable Species and Rotational Quantum Numbers on the Derivation of OH (A–X), NO-γ (A–X) and N₂ (C–B) Bands Rotational Temperatures in an Argon Gas-Liquid-Phase Plasma Discharge | |
Ramazanov et al. | Analysis of the water composition using emission spectra of a gas discharge | |
RU2317659C1 (ru) | Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах | |
BG111131A (bg) | Метод и йонизационен детектор за анализ на примеси в газове | |
Daltrini et al. | Plasma parameters obtained with planar probe and optical emission spectroscopy | |
Mason et al. | Positive-column plasma studied by fast-flow glow discharge mass spectrometry: Could it be a “Rydberg gas?” |