RU2706420C1 - Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols - Google Patents

Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols Download PDF

Info

Publication number
RU2706420C1
RU2706420C1 RU2019100606A RU2019100606A RU2706420C1 RU 2706420 C1 RU2706420 C1 RU 2706420C1 RU 2019100606 A RU2019100606 A RU 2019100606A RU 2019100606 A RU2019100606 A RU 2019100606A RU 2706420 C1 RU2706420 C1 RU 2706420C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
corona
electrode
aerosol
counter electrode
particles
Prior art date
Application number
RU2019100606A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Елохин
Тимофей Дмитриевич Ершов
Валерий Иванович Николаев
Валерий Николаевич Соколов
Original Assignee
Акционерное общество "Научные приборы"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научные приборы" filed Critical Акционерное общество "Научные приборы"
Priority to RU2019100606A priority Critical patent/RU2706420C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2706420C1 publication Critical patent/RU2706420C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to mass analysis means, is intended for gravimetric and chemical analysis of aerosols for detection, identification and quantitative determination of chemical compounds in laboratory, production and field conditions and enables to determine distribution by size, counting and mass concentration of aerosol particles in gas and aerosol phases of air-dispersed media. Device based on mass spectrometer comprises corona electrode and counter electrode for charging aerosol particles in corona discharge between electrodes, program-controlled high-voltage pulse voltage source with corona discharge current stabilizer connected to corona-forming electrode, counter-electrode supply source and corona discharge current meter connected to counter electrode, which detects ion currents of packets of particles passing through the discharge gap at different speed and deposited on the counter electrode. Counter electrode is made mesh with 50–90 % transparency for particles in corona discharge, provides deposition and accumulation of aerosol particles on grid and is equipped with power supply providing heating to preset temperature and programmable thermal desorption and evaporation of aerosol particles deposited on the mesh for their preliminary separation and programmable thermal decomposition of the settled non-volatile and low-volatile substances to obtain their mass spectra. Counter electrode is conjugated with mass spectrometer by means of input device in form of selective membrane. Data control and data recording unit is connected to the high-voltage pulse supply source of the corona-forming electrode, the corona discharge current meter of the corona-forming electrode, the counter electrode supply source and the mass spectrometer ion detector.
EFFECT: high sensitivity of analysis by reducing detection thresholds of components of the aerosol phase owing to accumulation thereof on the counter electrode, high reliability of identifying substances by programmed thermal desorption and preliminary separation of components of the aerosol phase, as well as by obtaining mass spectra of volatile products obtained after thermal decomposition of non-volatile and low-volatility substances sorbed on deposited dust particles.
7 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к средствам детектирования и идентификации химических соединений в газообразной и аэрозольной фазах с помощью гравиметрического и масс-спектрометрического анализа и может быть применено в лабораторных, производственных и полевых условиях.The invention relates to means for detecting and identifying chemical compounds in the gaseous and aerosol phases using gravimetric and mass spectrometric analysis and can be applied in laboratory, industrial and field conditions.

Предлагаемое комбинированное устройство предназначено для одновременного определения распределения аэрозольных частиц в потоке газа по размерам, их счетной и массовой концентрации, а также химического состава газовой и аэрозольной фаз аэродисперсной среды.The proposed combined device is designed to simultaneously determine the distribution of aerosol particles in the gas stream by size, their calculated and mass concentration, as well as the chemical composition of the gas and aerosol phases of the aerodispersed medium.

Для проведения химического анализа аэродисперсных сред, содержащих примеси веществ в газовой фазе или в форме аэрозолей с различной дисперсностью, необходимо обеспечить отбор пробы и ее ввод в источник ионов масс-спектрометра в виде газа или паров. Причем, проба должна быть представительной по отношению к химическим веществам, содержащимся как в газовой фазе среды, так и в частицах аэрозоля. При непрерывном мониторинге аэродисперсной среды, например, в производственных помещениях и контроле технологических процессов, отбор и ввод анализируемых веществ в масс-спектрометр должен быть непрерывным и стабильным.To conduct a chemical analysis of aerodispersed media containing impurities in the gas phase or in the form of aerosols with different dispersion, it is necessary to take a sample and enter it into the ion source of the mass spectrometer in the form of gas or vapor. Moreover, the sample should be representative of the chemicals contained both in the gas phase of the medium and in aerosol particles. With continuous monitoring of the aerodispersed medium, for example, in industrial premises and the control of technological processes, the selection and introduction of the analytes into the mass spectrometer must be continuous and stable.

Известны устройства, реализующие электроиндукционный принцип измерения параметров аэродисперсной системы, действие которых основано на зарядке аэрозольных частиц в зоне импульсного униполярного коронного разряда и последующем измерении их суммарного объемного заряда индукционным способом /например, SU 340942 "Способ измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля", 1972 г.; SU 523333 "Устройство для непрерывного измерения запыленности газов", 1976 г.; SU 525007 "Устройство для измерения объемной плотности электрических зарядов в газе", 1976 г.; SU 602829 "Устройство для измерения объемной плотности зарядов частиц в газе", 1978 г.; SU 1182557 "Способ "обнаружения пожароопасной ситуации", 1985 г.; RU 2459268 "Электроиндукционный пожарный извещатель", 2011 г.и др./.Known devices that implement the electric induction principle of measuring the parameters of the aerodisperse system, the action of which is based on charging aerosol particles in the zone of a pulsed unipolar corona discharge and subsequent measurement of their total space charge by induction method / for example, SU 340942 "Method for measuring the concentration of the dispersed phase of an aerosol", 1972 ; SU 523333 "Device for continuous measurement of dustiness of gases", 1976; SU 525007 "Device for measuring the bulk density of electric charges in a gas", 1976; SU 602829 "Device for measuring the volumetric density of charges of particles in a gas", 1978; SU 1182557 "Method of" detecting a fire hazard ", 1985; RU 2459268" Electric induction fire detector ", 2011, etc.

Электроиндукционный принцип непрерывного контроля аэрозолей обладает высокой чувствительностью, быстродействием и удобством в эксплуатации. Устройства позволяют мгновенно регистрировать изменения концентрации аэрозольных частиц любого химического состава и размера в реальном масштабе времени. При наличии информации о распределении частиц по размерам можно определить счетную и массовую концентрацию аэрозольных частиц.The electro-induction principle of continuous control of aerosols has high sensitivity, speed and ease of use. Devices allow you to instantly record changes in the concentration of aerosol particles of any chemical composition and size in real time. If you have information about the particle size distribution, you can determine the calculated and mass concentration of aerosol particles.

В известных устройствах аэрозольные частицы заряжаются в зарядной камере, для зарядки аэрозольных частиц применяется коронный разряд между коронирующим электродом и противоэлектродом под действием приложенной между ними разности потенциалов. Геометрия, в которой формируетсяся коронный разряд может быть разной. Коронирующий электрод может быть выполнен в виде одиночного металлического острия (иглы) или ансамбля из многих острий, лезвия, проволоки или нескольких проволок, проволочной сетки и др. Противоэлектрод может представлять собой проводящую пластину, сетку, цилиндр и др. [1].In known devices, aerosol particles are charged in a charging chamber, a corona discharge between the corona electrode and the counter electrode is applied to charge the aerosol particles under the action of the potential difference applied between them. The geometry in which the corona discharge is formed may be different. The corona electrode can be made in the form of a single metal point (needle) or an ensemble of many points, a blade, wire or several wires, wire mesh, etc. The counter electrode can be a conductive plate, wire mesh, cylinder, etc. [1].

Известно устройство по патенту РФ RU 2459268 "Электроиндукционный пожарный извещатель", 2011 г., положенный в основу серийно выпускаемого ОАО "НИИ "Радар ММС" пожарного индукционного дымового извещателя ИП 213-001 [2].A device is known according to the patent of the Russian Federation RU 2459268 "Electro-induction fire detector", 2011, which is the basis of the production of the fire induction smoke detector IP 213-001, JSC "Research Institute" Radar MMS [2].

Устройство [2] включает побудитель расхода воздуха, зарядную камеру с коронным разрядом для зарядки аэрозольных частиц, индукционный электрод для измерения суммарного заряда частиц аэрозоля, измерительный усилитель, блок обработки информации, блок питания и устройство стабилизации тока коронного разряда.The device [2] includes an air flow inducer, a corona discharge charging chamber for charging aerosol particles, an induction electrode for measuring the total aerosol particle charge, a measuring amplifier, an information processing unit, a power supply unit, and a corona discharge current stabilization device.

Униполярный импульсный коронный разряд в [2] зажигается между острием расположенной по оси потока воздуха иглы и цилиндрическим электродом, через который побудителем расхода прокачивается воздух с аэрозолем. Далее по течению потока воздуха установлен индукционный электрод в виде цилиндра, соединенного со входом измерительного усилителя.The unipolar pulsed corona discharge in [2] is ignited between the tip of a needle located along the axis of the air flow and a cylindrical electrode through which air with an aerosol is pumped by a flow inducer. Further downstream, an induction electrode is installed in the form of a cylinder connected to the input of the measuring amplifier.

Аэрозольные частицы в зарядной камере во время импульсного разряда получают заряд, пропорциональный их размеру и счетной концентрации. Проходя через измерительную камеру, они наводят на измерительный электрод заряд, величина которого зависит от их объемного электрического заряда.Aerosol particles in the charging chamber during a pulsed discharge receive a charge proportional to their size and concentration. Passing through the measuring chamber, they induce a charge on the measuring electrode, the magnitude of which depends on their volumetric electric charge.

Общим недостатком подобных устройств является то, что они не могут определять химический состав аэродисперсной среды, что является чрезвычайно важным в экологических исследованиях, контроле воздуха в производственных помещениях и при контроле технологических процессов.A common drawback of such devices is that they cannot determine the chemical composition of the aerodispersed medium, which is extremely important in environmental studies, air control in industrial premises and in the control of technological processes.

Известны также масс-спектрометрический и хромато-масс-спектрометрический способы определения химического состава аэрозолей, в котором аэрозольные частицы испаряют на входе устройства ввода пробы в масс- спектрометр (МС) или в комплекс газовый хроматограф - масс-спектрометр (ГХ-МС), а информацию о составе частиц аэрозоля получают из масс-спектров, сравнивая их со спектрами из базы данных. Для определения элементного состава частиц аэрозоля используют вторично эмиссионную масс-спектрометрию или масс-спектрометрию с ионизацией в индуктивно связанной плазме. Для получения информации о химическом составе аэрозолей применяется масс-спектрометрия с ионизацией при атмосферном давлении или с ионизацией электронным ударом. Наиболее полную и достоверную информацию о химическом составе аэрозольных частиц дают методы хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) с предварительным разделением многокомпонентных газовых смесей на фракции в газовом хроматографе и последующим масс-спектрометрическим анализом выделенных фракций [3].Mass spectrometric and chromato-mass spectrometric methods are also known for determining the chemical composition of aerosols, in which aerosol particles are vaporized at the input of a sample input device into a mass spectrometer (MS) or into a gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS) complex, and information on the composition of aerosol particles is obtained from mass spectra by comparing them with spectra from a database. To determine the elemental composition of aerosol particles, secondary emission mass spectrometry or inductively coupled plasma ionization mass spectrometry is used. To obtain information on the chemical composition of aerosols, mass spectrometry with ionization at atmospheric pressure or with electron impact ionization is used. The most complete and reliable information on the chemical composition of aerosol particles is provided by the methods of gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with preliminary separation of multicomponent gas mixtures into fractions in a gas chromatograph and subsequent mass spectrometric analysis of the isolated fractions [3].

Известно устройство для анализа размеров частиц и состава аэрозолей, в котором осуществляется определение размеров частиц аэрозоля, их испарение и масс-спектрометрический химический анализ паров частиц ("Aerosol Mass Spectrometer for Size and Composition Analysis of Submicron Particles") [4]. Устройство для анализа размеров частиц и состава аэрозоля содержит установленные последовательно вакуумируемые камеру отбора и подготовки образца аэрозоля, камеру измерения размера частиц и камеру детектирования частиц, разделенные апертурами. В камере отбора и подготовки образца аэрозоля установлена система аэродинамических линз, последовательно фокусирующих поток частиц в узкий пучок, который вводится в камеру измерения размера частиц (анализатор размера частиц), т.к. скорость движения частиц зависит от их массы/размера, характеризуемого величиной аэродинамического диаметра. Пучок частиц проходит через вращающийся затвор-модулятор с двумя радиальными щелями, каждая из которых сопряжена с детектором в виде инфракрасного фотодиода. Детектирование частиц, движущихся на отрезке пути известной длины, с разрешением во времени дает возможность определить скорость частицы, по которой определяется ее аэродинамический диаметр. Рабочий цикл затвора-модулятора определяется прохождением аэрозоля от последней из линз, установленных в камере отбора и подготовки образца, до фотодиода-детектора. Сигнал пары фотодиодов-детекторов, контролирующих щель, через которую проходит пучок частиц, определяет времяпролетный цикл частицы и используется для синхронизации детектирования частиц с временным разрешением. Затвор- модулятор, работающий на фиксированной частоте 150 Гц, определяет временное разрешение периода пролета частиц, равный примерно 7 мс. При повышении частоты возрастает временное разрешение (менее 7 мс) при измерениях аэродинамического диаметра частицы, что также дает информацию о составе аэрозоля, вплоть до отдельных частиц.A device for analyzing particle sizes and composition of aerosols is known, in which aerosol particle sizes, evaporation and mass spectrometric chemical analysis of particle vapors ("Aerosol Mass Spectrometer for Size and Composition Analysis of Submicron Particles") are determined [4]. A device for analyzing particle sizes and aerosol composition contains a sequentially evacuated aerosol sampling and preparation chamber, a particle size measuring chamber, and a particle detection chamber separated by apertures. A system of aerodynamic lenses is installed in the chamber for sampling and preparing the aerosol sample, sequentially focusing the particle flow into a narrow beam, which is introduced into the particle size measuring chamber (particle size analyzer), because the speed of particles depends on their mass / size, characterized by the size of the aerodynamic diameter. The beam of particles passes through a rotating shutter-modulator with two radial slots, each of which is paired with a detector in the form of an infrared photodiode. The detection of particles moving along a segment of a path of known length with a time resolution makes it possible to determine the speed of a particle by which its aerodynamic diameter is determined. The shutter-modulator duty cycle is determined by the passage of the aerosol from the last of the lenses installed in the sample collection and preparation chamber to the photodiode detector. The signal of a pair of photodiode detectors controlling the gap through which the particle beam passes determines the time-of-flight cycle of the particle and is used to synchronize the detection of particles with a time resolution. A gate-modulator operating at a fixed frequency of 150 Hz determines the temporal resolution of the period of flight of particles equal to about 7 ms. With increasing frequency, the temporal resolution increases (less than 7 ms) when measuring the aerodynamic diameter of the particle, which also provides information on the composition of the aerosol, up to individual particles.

Разделенные по времени пролета частицы поступают в камеру детектирования частиц и попадают на поверхность испарителя, нагреваемую от минимальной температуры 280 градусов до 600 градусов. Испаритель представляет собой резистивно нагреваемую закрытую на конце трубку, при столкновении с которой летучие или неустойчивые составляющие в/на частице мгновенно испаряются. Испаритель интегрирован с источником ионов - ионизатором частиц электронным ударом, установленным на входе квадрупольного масс-спектрометра. Анализ частиц различного химического состава проводится при различных фиксированных температурах поверхности испарителя. Ионы, проходящие через квадруполь, собираются, усиливаются электронным умножителем, и попадая на коллектор ионов (детектор), регистрируются. Блок управления и регистрации данных на базе компьютера задает установки для масс-спектрометра, синхронизирует цикл затвора-модулятора и сигналов электронного усилителя, осуществляет в реальном времени сбор и анализа данных.The particles separated by the time of flight enter the particle detection chamber and fall on the surface of the evaporator heated from a minimum temperature of 280 degrees to 600 degrees. The evaporator is a resistively heated tube closed at the end, upon collision with which the volatile or unstable components in / on the particle instantly evaporate. The evaporator is integrated with an ion source - an electron impact ionizer installed at the input of a quadrupole mass spectrometer. The analysis of particles of different chemical composition is carried out at various fixed temperatures of the surface of the evaporator. Ions passing through the quadrupole are collected, amplified by an electron multiplier, and, falling on the ion collector (detector), are recorded. A computer-based control and data recording unit sets the settings for the mass spectrometer, synchronizes the shutter-modulator cycle and electronic amplifier signals, and real-time data collection and analysis.

Известное устройство для анализа размеров частиц и состава аэрозолей, включающее анализатор размера частиц аэрозолей, испаритель частиц аэрозоля, масс-спектрометр, включающий источник ионов, масс-анализатор и детектор масс-спектра, соединенные с блоком управления и регистрации данных, выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения.A known device for analyzing particle sizes and aerosol composition, including an aerosol particle size analyzer, an aerosol particle evaporator, a mass spectrometer including an ion source, a mass analyzer and a mass spectrum detector connected to a data control and recording unit, is selected as the closest analog of the claimed invention.

Недостатком известного устройства является сложность аэродинамической и вакуумной систем устройства, включающего три достаточно мощных турбомолекулярных вакуумных насоса с соответствующей вакуумной инфраструктурой (форвакуумные насосы и вакуумная арматура, датчики давления, система контроля вакуума и др.).A disadvantage of the known device is the complexity of the aerodynamic and vacuum systems of the device, which includes three sufficiently powerful turbomolecular vacuum pumps with the corresponding vacuum infrastructure (fore-vacuum pumps and vacuum valves, pressure sensors, vacuum control system, etc.).

Задачей настоящего изобретения является создание компактного комбинированного устройства, обеспечивающего получение информации для одновременного определения распределения аэрозольных частиц по размерам, их счетной и массовой концентрации, а также химического состава газовой и аэрозольной фаз.The present invention is the creation of a compact combined device that provides information for simultaneously determining the distribution of aerosol particles in size, their counting and mass concentration, as well as the chemical composition of the gas and aerosol phases.

Задача решена тем, что в устройстве для анализа размеров частиц и состава аэрозолей, включающем соединенные с блоком управления и регистрации данных анализатор размера частиц аэрозолей, испаритель частиц аэрозоля, масс-спектрометр, включающий источник ионов, масс-анализатор, детектор ионов, в соответствии с изобретением, анализатор размера частиц аэрозоля выполнен в виде коронирующего электрода и противоэлектрода для зарядки частиц аэрозоля в коронном разряде между коронирующим электродом и противоэлектродом, и снабжен источником импульсного высоковольтного питания и стабилизатором тока коронного разряда, соединенными с коронирующим электродом, а также источником питания противоэлектрода и измерителем тока коронного разряда, соединенными с противоэлектродом, причем противоэлектрод является испарителем и выполнен с обеспечением нагрева до заданной температуры и сопряжен с устройством ввода пробы в источник ионов масс-спектрометра, при этом блок управления и регистрации данных подключен к источнику импульсного высоковольтного питания коронирующего электрода, измерителю тока коронного разряда коронирующего электрода, источнику питания противоэлектрода и детектору масс-спектра.The problem is solved in that in a device for analyzing particle sizes and aerosol composition, including an aerosol particle size analyzer, an aerosol particle evaporator, a mass spectrometer including an ion source, a mass analyzer, an ion detector connected to a control unit and recording data, in accordance with by the invention, the aerosol particle size analyzer is made in the form of a corona electrode and a counter electrode for charging aerosol particles in the corona discharge between the corona electrode and the counter electrode, and is provided with a source thereof high-voltage power supply and a corona discharge current stabilizer connected to the corona electrode, as well as a counter electrode power source and a corona discharge current meter connected to the counter electrode, the counter electrode being an evaporator and designed to provide heating to a predetermined temperature and coupled to a device for introducing the sample into the ion source mass spectrometer, while the control unit and data recording is connected to a source of pulsed high-voltage power supply of the corona electrode, a corona electrode current meter of a corona electrode, a counter electrode power source and a mass spectrum detector.

Кроме того, коронирующий электрод выполнен в виде острийного электрода.In addition, the corona electrode is made in the form of a point electrode.

Кроме того, коронирующий электрод выполнен сетчатым из металлической проволоки диаметром 0,01-0,1 мм.In addition, the corona electrode is made of mesh from a metal wire with a diameter of 0.01-0.1 mm

Кроме того, противоэлектрод выполнен сетчатым с прозрачностью 50-90% для потока аэрозоля.In addition, the counter electrode is made mesh with a transparency of 50-90% for aerosol flow.

Кроме того, стабилизатор тока коронного разряда установлен по схеме обратной связи с источником импульсного высоковольтного питания коронирующего электрода.In addition, the corona current stabilizer is installed according to the feedback scheme with the source of pulsed high-voltage power supply of the corona electrode.

Кроме того, источник питания противоэлектрода снабжен датчиком температуры нагрева и стабилизатором температуры нагрева противоэлектрода.In addition, the counter electrode power supply is equipped with a heating temperature sensor and a counter temperature stabilizer for heating the counter electrode.

Кроме того, устройство ввода пробы в источник ионов масс-спектрометра выполнено в виде селективной мембраны.In addition, the device for introducing the sample into the ion source of the mass spectrometer is made in the form of a selective membrane.

Технический результат изобретения состоит в повышении быстродействия, надежности и чувствительности анализа вследствие исключения механических систем при модификации пучка частиц анализируемого газа в неоднородном электрическом поле коронного разряда, придании противоэлектроду новой функции испарителя осажденных частиц, повышения чувствительности и достоверности анализа состава газовой среды за счет осаждения и накопления частиц на противоэлектроде, программируемой термодеструкции осажденных частиц для предварительного разделения их на составляющие, а также программируемой термодесорбции осажденных на противоэлектроде частиц для разделения и определения спектра состава летучих и нелетучих компонент аэрозоля. Сущность изобретения поясняют фиг. 1-6.The technical result of the invention is to increase the speed, reliability and sensitivity of the analysis due to the exclusion of mechanical systems when modifying the particle beam of the analyzed gas in an inhomogeneous electric field of the corona discharge, giving the counter electrode a new function of the evaporator of the deposited particles, increasing the sensitivity and reliability of the analysis of the composition of the gas medium due to deposition and accumulation particles on the counter electrode, programmable thermal destruction of the deposited particles for preliminary separation dividing them into components, as well as programmable thermal desorption of particles deposited on the counter electrode to separate and determine the composition spectrum of the volatile and non-volatile components of the aerosol. The invention is illustrated in FIG. 1-6.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства, позициями в которой обозначены: 1 - коронирующий электрод; 2 - противоэлектрод, 3 - изоляторы, в которых установлены электроды 1 и 2; 4 - источник импульсного высоковольтного питания коронирующего электрода со стабилизатором тока коронного разряда (последний на фиг. 1 не показан); 5 - источник питания противоэлектрода; 6 -измеритель тока коронного разряда; 7 - устройство ввода пробы в источник ионов масс-спектрометра; 8 - источник ионов масс-спектрометра; 9 - масс-анализатор; 10 - детектор ионов; 11 - система вакуумной откачки; 12 - блок управления и обработки данных.In FIG. 1 presents a diagram of the inventive device, the positions in which are indicated: 1 - corona electrode; 2 - counter electrode, 3 - insulators in which electrodes 1 and 2 are installed; 4 - a source of pulsed high-voltage power supply of the corona electrode with a corona discharge current stabilizer (the latter is not shown in Fig. 1); 5 - power supply counter electrode; 6 - corona discharge current meter; 7 - a device for introducing a sample into the ion source of a mass spectrometer; 8 - source of mass spectrometer ions; 9 - mass analyzer; 10 - ion detector; 11 - vacuum pumping system; 12 - control unit and data processing.

На фиг. 2 представлена конструкция системы «коронирующий электрод -противоэлектрод» (с фиг. 1) при выполнении электродов сетчатыми, в которой 1 -коронирующий электрод; 2 - противоэлектрод; 3 - изоляторы, в которых установлены электроды 1 и 2.In FIG. 2 shows the design of the system “corona electrode-counter electrode” (with Fig. 1) when performing electrodes mesh, in which 1 is a corona electrode; 2 - counter electrode; 3 - insulators in which electrodes 1 and 2 are installed.

На фиг. 3 представлены осциллограммы импульсов объемного заряда аэрозоля, регистрируемых в виде зависимости тока коронного разряда от изменения величины напряжения в импульсе, поданном на коронирующий электрод, для случаев отсутствия аэрозоля (а) и при наличии аэрозоля в разрядном промежутке между электродами (б)..In FIG. Figure 3 shows the oscillograms of the aerosol space charge pulses recorded as the dependence of the corona discharge current on the change in the voltage in the pulse applied to the corona electrode for the cases of the absence of aerosol (a) and in the presence of aerosol in the discharge gap between the electrodes (b) ..

На фиг. 4 представлены масс-спектры анализируемого воздуха, регистрируемые детектором ионов в виде зависимости тока детектора ионов от величины соотношения массы к заряду частицы m/z, при отсутствии (а) и наличии (б) аэрозольных частиц в воздухе.In FIG. Figure 4 shows the mass spectra of the analyzed air recorded by the ion detector in the form of the dependence of the ion detector current on the ratio of the mass to the particle charge m / z, in the absence (a) and presence (b) of aerosol particles in the air.

На фиг. 5 представлены масс-спектры анализируемого воздуха с аэрозолем, регистрируемые детектором ионов в виде зависимости тока детектора ионов от величины соотношения массы к заряду частицы m/z, измеренные при выключенном (а) и включенном (б) коронном разрядеIn FIG. Figure 5 shows the mass spectra of the analyzed air with an aerosol recorded by the ion detector in the form of the dependence of the ion detector current on the value of the mass / charge ratio of the particle m / z, measured with the corona discharge turned off (a) and (b) on

На фиг. 6 представлены масс-спектры аэрозоля, содержащего дихлорэтан и перфтортрибутиламин, регистрируемые детектором ионов в виде зависимости тока детектора от величины соотношения массы к заряду частицы m/z, при изменении температуры нагрева противоэлектрода.In FIG. Figure 6 shows the mass spectra of an aerosol containing dichloroethane and perfluorotributylamine recorded by the ion detector as the dependence of the detector current on the ratio of the mass to particle charge m / z with a change in the temperature of heating of the counter electrode.

Сущность изобретения заключается в следующем. К коронирующему электроду прикладывают импульсное высоковольтное напряжение, зажигающее коронный разряд, длительность импульсов и скважность импульсов напряжения выбирают в зависимости от природы и параметров частиц аэрозоля. Для измерения объемного заряда частиц аэрозоля используют сеточный противоэлектрод, программно-управляемый источник питания противоэлектрода создает на нем напряжение, что приводит к осаждению противоположно заряженных частиц из коронного разряда, их накоплению, а программируемый резистивный нагрев сетки до заданной температуры обеспечивает испарение (термодесорбцию и термодеструкцию) осажденных на ней частиц, поток которых через селективную мембрану поступает в масс-спектрометр для получения масс-спектра составляющих потока частиц, образованных летучими и нелетучими компонентами газа. Перемещение частиц в коронном разряде следует за изменением формы электрического импульса, подаваемого на коронирующий электрод, в соответствии с подвижностью ионов. В отсутствие аэрозоля подвижность ионов основных компонент воздуха (азот, кислород, пары воды, водород) примерно одинакова, ионы достигают противоэлектрода примерно одновременно, пакетом, при этом вершина импульса ионного пакета, характеризуемого током через противоэлектрод, близка к плоской. Различие в подвижностях ионов компонент газа отражаются на форме (крутизне) переднего и заднего фронтов импульса. Информацию о распределении частиц аэрозоля по размерам получают из спектров времени пролета аэрозольных частиц промежутка между коронирующим электродом и противоэлектродом, а информацию о химическом составе аэродисперсной среды получают из масс-спектров путем сравнения их со спектрами базы данных масс-спектрометра.The invention consists in the following. A pulsed high voltage voltage is applied to the corona electrode, igniting a corona discharge, the pulse duration and the duty cycle of the voltage pulses are selected depending on the nature and parameters of the aerosol particles. To measure the space charge of aerosol particles, a grid counter electrode is used, a program-controlled power source of the counter electrode creates a voltage on it, which leads to the deposition of oppositely charged particles from the corona discharge, their accumulation, and programmable resistive heating of the grid to a given temperature provides evaporation (thermal desorption and thermal destruction) particles deposited on it, the flow of which through a selective membrane enters the mass spectrometer to obtain a mass spectrum of the components of the flow hour eggs formed volatile and non-volatile components of the gas. The movement of particles in the corona discharge follows a change in the shape of the electric pulse supplied to the corona electrode, in accordance with the mobility of the ions. In the absence of an aerosol, the mobility of the ions of the main components of the air (nitrogen, oxygen, water vapor, hydrogen) is approximately the same, the ions reach the counter electrode approximately at the same time as a packet, while the peak of the pulse of the ion packet characterized by the current through the counter electrode is close to flat. The difference in the mobilities of the ions of the gas components is reflected in the shape (slope) of the leading and trailing edges of the pulse. Information on the size distribution of aerosol particles is obtained from the time-of-flight spectra of aerosol particles between the corona electrode and the counter electrode, and information on the chemical composition of the aerodispersed medium is obtained from the mass spectra by comparing them with the spectra of the mass spectrometer database.

Устройство выполнено следующим образом (фиг. 1). Анализатор размера частиц включает коронирующий электрод (1) и противоэлектрод (2), установленные в изоляторах (3) (фиг. 2). Поток аэродисперсной среды создается с помощью "электрического ветра", возникающего под действием коронного разряда в разрядном газовом промежутке между коронирующим электродом (1) и противоэлектродом (2) под действием приложенной между ними высокой разности потенциалов. К коронирующему электроду (1) подключен источник импульсного высоковольтного напряжения (4), который соединен обратной связью со стабилизатором тока коронного разряда (на фиг. 1 не показан), обеспечивая напряжение импульсного коронного разряда около 7 кВ. Программируемый режим работы этой цепи задается блоком управления и обработки данных (12). Противоэлектрод (2) также находится под напряжением, подаваемым от источника питания (5), что приводит к электростатическому осаждению на нем заряженных частиц из электрогазодинамического потока в коронном разряде, и протеканию электрического тока, который регистрируется измерителем тока коронного разряда (6). Коронирующий электрод (1) может быть выполнен острийным или сеточным с малым радиусом кривизны для создания сильно неоднородного электрического поля вблизи его поверхности, необходимого для эффективного возбуждения коронного разряда в газовой среде, например, в виде металлического острия (игла) или сетки из тонкой металлической проволоки диаметром 0,01-0,1 мм. Противоэлектрод (2) для улавливания ионов коронного разряда выполнен сеточным, проницаемым, обеспечивающим пропускание частиц аэрозоля, при этом его прозрачность для потока аэрозоля составляет 50-90%. Информацию о распределении частиц аэрозоля по размерам получают по регистрации измерителем (6) силы тока коронного разряда, адекватного объемному заряду осажденных частиц аэрозоля. По изменению тока коронного разряда во времени устанавливают спектр времени пролета аэрозольными частицами расстояния между коронирующим электродом (1) и противоэлектродом (2).The device is as follows (Fig. 1). The particle size analyzer includes a corona electrode (1) and a counter electrode (2) installed in insulators (3) (Fig. 2). The flow of the aerodispersed medium is created using the "electric wind" arising under the influence of a corona discharge in the discharge gas gap between the corona electrode (1) and the counter electrode (2) under the action of a high potential difference applied between them. A source of pulsed high voltage voltage (4) is connected to the corona electrode (1), which is connected by feedback to a corona discharge current stabilizer (not shown in Fig. 1), providing a voltage of pulsed corona discharge of about 7 kV. The programmed mode of operation of this circuit is set by the control and data processing unit (12). The counter electrode (2) is also under voltage supplied from the power source (5), which leads to electrostatic deposition of charged particles on it from the electro-gas-dynamic flow in the corona discharge and the flow of electric current, which is recorded by the corona current meter (6). The corona electrode (1) can be made pointed or grid with a small radius of curvature to create a highly inhomogeneous electric field near its surface, necessary for the effective excitation of a corona discharge in a gas medium, for example, in the form of a metal tip (needle) or a mesh of thin metal wire diameter 0.01-0.1 mm. The counter electrode (2) for capturing corona ions is made mesh, permeable, ensuring the transmission of aerosol particles, while its transparency for the aerosol flow is 50-90%. Information on the size distribution of aerosol particles is obtained by recording with a meter (6) a corona current strength adequate to the space charge of deposited aerosol particles. By varying the current of the corona discharge in time, the time spectrum of aerosol particles passing by the distance between the corona electrode (1) and the counter electrode (2) is established.

Подача напряжения на противоэлектрод (2) приводит к его резистивному нагреву, и при определенной величине температуры противоэлектрода (2) начинается термодесорбция слоя осажденных на него частиц, термодеструкция летучих и неустойчивых соединений в их составе и испарение частиц с противоэлектрода (2), реализующего функцию испарителя. Поддержание требуемой температуры нагретого противоэлектрода (2) обеспечивают программно управляемые датчик температуры нагрева и стабилизатор температуры нагрева (на фиг. 1 не показаны), включенные в цепь источника питания противоэлектрода (5). Поток частиц, покинувших противоэлектрод-испаритель (2), поступает на вход сопряженного с устройства ввода частиц в масс-спектрометр (7), размещенное оппозитно испарителю. Устройство ввода частиц (7) выполнено в виде селективной мембраны, плохо пропускающей пары воды, азот и кислород, но хорошо пропускающей пары органических веществ, которые, пройдя селективную мембрану, попадают в масс-спектрометр и проходят последовательно источник ионов масс-спектрометра (8), в котором подвергаются ионизации электронным ударом, приобретая соответствующую энергию eV, масс-анализатор (9), в котором происходит разделение ионов по величине, например, отношения массы иона к его заряду, и формирование ионных пакетов. В качестве масс-анализатора (9) может быть использован, например, квадрупольный масс-анализатор («фильтр масс»). Далее пакеты ионов попадают в коллектор - детектор ионов (10), где преобразуются в ионный ток, соответствующий линии масс-спектра. Масс-спектрометр снабжен системой вакуумной откачки (11), которая создает и поддерживает высокий вакуум, а детектор ионов (10) подключен к блоку управления и обработки данных (12). Информацию о химическом составе аэродисперсной среды получают из масс-спектров путем сравнения их со спектрами базы данных масс-спектрометра.Applying voltage to the counter electrode (2) leads to its resistive heating, and at a certain value of the temperature of the counter electrode (2), thermal desorption of the layer of particles deposited on it begins, thermal destruction of volatile and unstable compounds in their composition and evaporation of particles from the counter electrode (2), which implements the function of an evaporator . Maintaining the required temperature of the heated counter electrode (2) is provided by a program-controlled heating temperature sensor and a heating temperature stabilizer (not shown in Fig. 1), included in the circuit of the counter electrode power source (5). The stream of particles that left the counter electrode-evaporator (2) is fed to the input of the particle input to the mass spectrometer (7), which is opposite to the evaporator. The particle input device (7) is made in the form of a selective membrane that poorly transmits water vapor, nitrogen and oxygen, but well transmits vapors of organic substances, which, passing through the selective membrane, enter the mass spectrometer and pass sequentially the ion source of the mass spectrometer (8) , in which they are ionized by electron impact, acquiring the corresponding energy eV, a mass analyzer (9), in which the separation of ions by size occurs, for example, the ratio of the mass of the ion to its charge, and the formation of ion packets. As a mass analyzer (9), for example, a quadrupole mass analyzer (“mass filter”) can be used. Next, the ion packets fall into the collector - ion detector (10), where they are converted into an ion current corresponding to the line of the mass spectrum. The mass spectrometer is equipped with a vacuum pumping system (11), which creates and maintains a high vacuum, and the ion detector (10) is connected to the control and data processing unit (12). Information on the chemical composition of the aerodispersed medium is obtained from the mass spectra by comparing them with the spectra of the mass spectrometer database.

Устройство работает следующим образом. На коронирующий электрод (1) от источника питания (4), управляемого блоком управления и обработки данных (12), подступает импульсное высокое напряжение прямоугольной формы с крутыми фронтами с амплитудой, достаточной для зажигания коронного разряда (порядка 4-7 кВ) положительной или отрицательной полярности. В коронном разряде во время действия импульса высокого напряжения ионизируются молекулы газа и заряжаются частицы аэрозоля. При этом создается импульсный пакет заряженных ионов и аэрозольных частиц, движущийся к противоэлектроду (2) как под действием электрического поля, так и под действием электрогазодинамического потока "электрического ветра". За счет разной подвижности заряженных частиц в электрическом и газодинамическом полях пакет частиц расплывается и частицы разных размеров достигают противоэлектрода (2) в разные моменты времени в соответствии с их временем пролета разрядного промежутка. Заряженные частицы аэрозоля осаждаются на сетку-противоэлектрод (2) под действием потенциала сетки с противоположным знаком по отношению к знаку заряженных частиц. Ток осаждаемых на сетку (2) ионов коронного разряда и заряженных частиц аэрозоля измеряется с помощью измерителя тока (6). Величина измеряемого объемного электрического заряда на сетке противоэлектрода (2) пропорциональна заряду и счетной концентрации аэрозольных частиц. Скважность высоковольтных импульсов и длину разрядного промежутка выбирают для обеспечения информативной формы импульса тока на противоэлектроде (2), позволяющей судить о распределении частиц по размерам.The device operates as follows. A square-shaped pulsed high voltage with steep edges with an amplitude sufficient to ignite a corona discharge (of the order of 4-7 kV), positive or negative, approaches the corona electrode (1) from the power source (4) controlled by the control and data processing unit (12) polarity. In a corona discharge, during the action of a high voltage pulse, gas molecules are ionized and aerosol particles are charged. In this case, an impulse packet of charged ions and aerosol particles is created, moving towards the counter electrode (2) both under the influence of an electric field and under the influence of the electro-gas-dynamic flow of an “electric wind”. Due to the different mobility of the charged particles in the electric and gas-dynamic fields, the packet of particles spreads and particles of different sizes reach the counter electrode (2) at different time points in accordance with their time of flight of the discharge gap. Charged aerosol particles are deposited on the counter-electrode grid (2) under the action of the grid potential with the opposite sign with respect to the sign of the charged particles. The current of corona discharge ions and charged aerosol particles deposited onto the grid (2) is measured using a current meter (6). The value of the measured volumetric electric charge on the counter electrode grid (2) is proportional to the charge and the calculated concentration of aerosol particles. The duty cycle of the high voltage pulses and the length of the discharge gap are chosen to provide an informative form of the current pulse at the counter electrode (2), which allows one to judge the particle size distribution.

Источник питания (5) нагревателя сетки противоэлектрода (2), управляемый блоком управления и обработки данных (12), обеспечивает ее прямонакальный нагрев и стабилизацию задаваемой температуры (датчик и стабилизатор температуры на Фиг. 1 не показаны). На сетке противоэлектрода (2), нагретой до заданной блоком управления (12) температуры, осажденные частицы аэрозоля испаряются. Поток газа и паров испаренного аэрозоля попадает на вход устройства ввода пробы в масс-спектрометр (7). Для примера на Фиг. 1 показано устройство ввода пробы (7) в виде селективной мембраны, плохо пропускающей пары воды, азот и кислород, но хорошо пропускающей пары органических веществ. Газ и пары частиц аэрозоля ионизируются в источнике ионов (8), анализируются масс-анализатором (9) по соотношению массы ионов к их заряду и регистрируются детектором ионов (10) в виде ионного тока от пакета ионов с одинаковой величиной отношения массы к заряду частицы, дающего линию в масс-спектре. Измеряемый масс-спектр и сигналы от измерителя тока коронного разряда (6) обрабатываются в блоке обработки данных (12), который выдает информацию о химическом составе газа и аэрозольных частиц, а также об их счетной и массовой концентрации.The power source (5) of the counter electrode grid heater (2), controlled by the control and data processing unit (12), provides its direct heating and stabilization of the set temperature (the sensor and temperature stabilizer are not shown in Fig. 1). On the counter electrode grid (2) heated to a temperature set by the control unit (12), the deposited aerosol particles evaporate. The flow of gas and vapor of the vaporized aerosol enters the input of the sample inlet device to the mass spectrometer (7). For the example of FIG. Figure 1 shows the sample inlet device (7) in the form of a selective membrane that poorly transmits water vapor, nitrogen and oxygen, but transmits organic vapor vapor well. Gas and aerosol particle pairs are ionized in the ion source (8), analyzed by the mass analyzer (9) by the ratio of the mass of the ions to their charge, and recorded by the ion detector (10) in the form of the ion current from the ion packet with the same mass-to-particle ratio, giving a line in the mass spectrum. The measured mass spectrum and the signals from the corona discharge current meter (6) are processed in the data processing unit (12), which provides information on the chemical composition of the gas and aerosol particles, as well as their calculated and mass concentration.

На Фиг. 2 для примера показана конструкция анализатора частиц аэрозоля с сетчатыми коронирующим (1) и противоэлектродом (2), которые установлены в изоляторах (3). Расстояние между электродами разрядного промежутка 30 мм. Напряжение импульсного коронного разряда около 7 кВ поддерживается с помощью обратной связи по току коронного разряда, измеряемому стабилизатором тока. Скважность импульсов, задаваемая блоком управления и обработки данных (12), составляет около 50%. "Электрический ветер" коронного разряда обеспечивает стабильный аэродисперсный поток величиной примерно Q~2 л/с при токе коронного разряда около 20 мкА. Показанное на Фиг. 2 простое по конструкции устройство может быть установлено, например в качестве опции, на входе мембранного ввода пробы в портативном переносном масс-спектрометре "Микропор" с квадрупольным масс-анализатором (АО "Научные приборы", г. СанктПетербург).In FIG. Figure 2 shows, for example, the design of an aerosol particle analyzer with a mesh corona (1) and counter electrode (2), which are installed in insulators (3). The distance between the electrodes of the discharge gap is 30 mm. A pulsed corona discharge voltage of about 7 kV is maintained by feedback on the corona discharge current measured by a current stabilizer. The pulse width set by the control and data processing unit (12) is about 50%. The “electric wind” of the corona discharge provides a stable aerodispersion flow of approximately Q ~ 2 l / s at a corona discharge current of about 20 μA. Shown in FIG. 2, a device that is simple in design can be installed, for example, as an option, at the input of the membrane input of the sample in the Micropor portable portable mass spectrometer with a quadrupole mass analyzer (Scientific Instruments JSC, St. Petersburg).

При определении состава аэродисперсного потока на коронирующий электрод-сетку (1) от источника питания (4) подается импульсное высокое напряжение, а на противоэлектрод (2) от источника питания (5) по заданной блоком управления и обработки данных (12) программе подается напряжение, обеспечивающее программируемый резистивный нагрев сетки (2). При повышении температуры сетки противоэлектрода (2) частицы аэрозоля испаряются, причем частицы, в составе которых имеются вещества с высокой упругостью паров, испаряются при более низких температурах. Таким образом, при изменении температуры сетки происходит разделение веществ, содержащихся в частицах аэрозоля (как в газовом хроматографе в комплексах ГХ-МС), что облегчает интерпретацию измеряемых масс-спектров и повышает достоверность и информативность комплексного гравиметрического и химического анализа. Программируемый нагрев сетки противоэлектрода (2) обеспечивает управляемый и воспроизводимый процесс разделения анализируемых веществ.When determining the composition of the aerodispersed flow, a high voltage is applied to the corona electrode (1) from the power source (4), and voltage is applied to the counter electrode (2) from the power source (5) according to the program set by the control and data processing unit (12), providing programmable resistive heating of the grid (2). As the temperature of the counter electrode grid (2) increases, the aerosol particles evaporate, and particles containing substances with high vapor pressure evaporate at lower temperatures. Thus, when the grid temperature changes, the substances contained in aerosol particles are separated (as in a gas chromatograph in GC-MS complexes), which facilitates the interpretation of measured mass spectra and increases the reliability and information content of complex gravimetric and chemical analysis. Programmable heating of the counter electrode grid (2) provides a controlled and reproducible process of separation of analytes.

Нагреваемая сетка противоэлектрода (2) может обеспечить обнаружение и идентификацию труднолетучих или нелетучих веществ, сорбированных на пылевых частицах, которые также заряжаются в поле коронного разряда и осаждаются на сетке. При отсутствии нагрева такие вещества не могут быть обнаружены. Но при нагреве сетки на ее поверхности может происходить термодеструкция осажденных молекул нелетучих веществ. При этом нелетучие молекулы могут распадаться на поверхности сетки с образованием фрагментов, имеющих более высокую упругость паров, которые могут испаряться с сетки и могут быть проанализированы масс-спектрометром. Таким образом, нелетучие вещества могут быть обнаружены и идентифицированы по спектрам летучих продуктов их термодеструкции.The heated counter electrode grid (2) can provide detection and identification of hardly volatile or nonvolatile substances sorbed on dust particles, which are also charged in the corona discharge field and deposited on the grid. In the absence of heating, such substances cannot be detected. But when the grid is heated on its surface, thermal destruction of the deposited molecules of nonvolatile substances can occur. In this case, non-volatile molecules can decompose on the surface of the network with the formation of fragments having a higher vapor pressure, which can evaporate from the network and can be analyzed by a mass spectrometer. Thus, non-volatile substances can be detected and identified by the spectra of volatile products of their thermal degradation.

При тренд-анализе и отслеживании изменений содержания веществ аэрозолей во времени конкретных заданных веществ, например, при контроле производственных процессов, масс-спектрометр настраивают на характерные линии этих веществ, интенсивности которых измеряют при фиксированных температурах сетки противоэлектрода (2), обеспечивающих эффективное испарение заданных веществ.In a trend analysis and tracking changes in the concentration of aerosol substances over time of specific given substances, for example, when controlling production processes, the mass spectrometer is tuned to the characteristic lines of these substances, the intensities of which are measured at fixed temperatures of the counter electrode grid (2), which ensure effective evaporation of the given substances .

Сравнительную эффективность использования заявляемого устройства иллюстрируют следующие примеры, приведенные параллельно на соответствующих фиг. 3-5 для удобства восприятия и сравнения.The comparative efficiency of using the inventive device is illustrated by the following examples, which are given in parallel in the respective FIGS. 3-5 for ease of perception and comparison.

На Фиг. 3, а) приведена форма импульса тока (осциллограмма), измеряемого на противоэлектроде (2) в потоке воздуха при отсутствии аэрозоля. Для исследования здесь, аналогично прототипу, импульсный пакет заряженных частиц формировался щелевым затвором. В отсутствие аэрозоля подвижность ионов основных компонент воздуха (азот, кислород, пары воды, водород) примерно одинакова, ионы достигают сетки противоэлектрода примерно одновременно, и вершина импульса тока ионного пакета, измеряемого на противоэлектроде, близка к плоской. Различие в подвижностях ионов компонент воздуха отражаются только на форме (крутизне) переднего (слева) и заднего (справа) фронтов импульса.In FIG. 3a) shows the shape of the current pulse (waveform) measured at the counter electrode (2) in the air stream in the absence of an aerosol. For research here, similarly to the prototype, a pulse packet of charged particles was formed by a slit shutter. In the absence of an aerosol, the mobility of ions of the main components of the air (nitrogen, oxygen, water vapor, hydrogen) is approximately the same, ions reach the counter electrode grid approximately simultaneously, and the peak of the current pulse of the ion packet measured at the counter electrode is close to flat. The difference in the mobilities of the ions of the air components is reflected only on the shape (slope) of the front (left) and trailing (right) fronts of the pulse.

На Фиг. 3, б) приведена форма импульса тока, измеряемого на противоэлектроде (2) в потоке воздуха в присутствии аэрозольных частиц. В данном исследовании для получения аэрозоля использовали простой генератор аэрозольных частиц с температурной сублимацией. Сравнение Фиг. 3, а) и Фиг. 3, б) показывает, что при наличии в воздухе аэрозоля крутизна переднего и заднего фронтов импульса, отражающих подвижность ионов основных компонент воздуха, сохраняется, но амплитуда сигнала увеличивается, а вершина импульса имеет более сложную форму, которая отражает наличие в импульсном пакете заряженных частиц с разной подвижностью. Из осциллограммы Фиг. 3, б) видно, что в потоке преобладают мелкодисперсные частицы аэрозоля, обладающие большей подвижностью, что приводит к максимальной амплитуде сигнала вблизи переднего фронта импульса. Программная обработка разностного сигнала между импульсами Фиг. 3, б) и Фиг. 3, а) позволяет выделить часть сигнала, обусловленного аэрозольной фазой аэродисперсной среды, и определить спектр подвижностей аэрозольных частиц, их счетную и массовую концентрацию. Алгоритмы расчета электрической подвижности аэрозольных частиц, заряженных в коронном разряде приведены, например, в [5].In FIG. 3b) shows the shape of the current pulse measured at the counter electrode (2) in the air stream in the presence of aerosol particles. In this study, a simple aerosol particle generator with temperature sublimation was used to obtain aerosol. Comparison of FIG. 3a) and FIG. 3b) shows that, in the presence of an aerosol in air, the steepness of the leading and trailing edges of the pulse, which reflect the ion mobility of the main air components, is preserved, but the signal amplitude increases, and the peak of the pulse has a more complex shape, which reflects the presence of charged particles with different mobility. From the waveform of FIG. 3b) it can be seen that finely dispersed aerosol particles with greater mobility predominate in the flow, which leads to a maximum signal amplitude near the leading edge of the pulse. Software processing of the difference signal between pulses FIG. 3b) and FIG. 3a) makes it possible to isolate a part of the signal caused by the aerosol phase of the aerodispersed medium and to determine the spectrum of mobilities of aerosol particles, their calculated and mass concentration. Algorithms for calculating the electrical mobility of aerosol particles charged in a corona discharge are given, for example, in [5].

На Фиг. 4 показаны масс-спектры в диапазоне массовых чисел 50-100 а.е.м., измеренные при отсутствии (Фиг. 4, а) и наличии (Фиг. 4, б) в воздухе помещения частиц аэрозоля. Масс-спектры приведены к одной шкале массовых чисел и интенсивностей. Масс-спектры отличаются по составу линий, их интенсивности и соотношениям интенсивностей линий. Наличие аэрозоля в воздухе приводит к изменению масс-спектра и к существенному увеличению интенсивности линий, более чем на порядок величины.In FIG. 4 shows mass spectra in the range of mass numbers of 50-100 amu, measured in the absence (Fig. 4, a) and the presence (Fig. 4, b) of aerosol particles in the air. Mass spectra are reduced to a single scale of mass numbers and intensities. Mass spectra differ in the composition of the lines, their intensities, and the ratios of the intensities of the lines. The presence of aerosol in air leads to a change in the mass spectrum and to a significant increase in the line intensity, by more than an order of magnitude.

На Фиг. 5 приведены масс-спектры воздуха с аэрозолем, измеренные при выключенном (а) и включенном (б) коронном разряде. Видно, что интенсивность линий масс-спектра при включении коронного разряда увеличивается примерно на 30%. Это означает, что вещества, содержащиеся в аэрозольной фазе, частично испаряются в плазме коронного разряда, что может, с одной стороны, искажать данные гравиметрического анализа распределения частиц по размерам (счетной и массовой концентрации), а с другой стороны - увеличивать чувствительность химического масс-спектрометрического анализа.In FIG. Figure 5 shows the mass spectra of air with an aerosol measured with (a) off and (b) on the corona discharge. It is seen that the intensity of the lines of the mass spectrum when the corona discharge is turned on increases by about 30%. This means that the substances contained in the aerosol phase partially evaporate in the corona discharge plasma, which can, on the one hand, distort the data of gravimetric analysis of particle size distribution (calculated and mass concentration), and, on the other hand, increase the sensitivity of chemical mass spectrometric analysis.

Предположительно, искажение спектра гравиметрического состава аэрозоля присуще всем устройствам с зарядкой частиц аэрозоля в поле коронного разряда. Однако при соответствующих градуировках заявляемого устройства, содержащего как анализатор гравиметрического состава, так и масс-спектрометр, этот эффект может быть учтен.Presumably, the distortion of the spectrum of the gravimetric composition of the aerosol is inherent in all devices with the charging of aerosol particles in the corona discharge field. However, with appropriate calibrations of the inventive device, containing both a gravimetric analyzer and a mass spectrometer, this effect can be taken into account.

На Фиг. 6 в трехмерном представлении приведены масс-спектры осажденных на противоэлектроде (2) аэрозольных частиц, содержащих перфторттрибутиламин (температура кипения 178,7°С) и дихлорэтан (температура кипения 83,5°С), измеренные при повышении температуры сетки противоэлектрода (2) от 20°С до 150°С. Анализ показывает, что при повышении температуры до 55°С в масс-спектре присутствуют только линии дихлорэтана до m/z=100 (молекулярная масса дихлорэтана 98,96), интенсивность которых увеличивается с ростом температуры до 50°С и затем начинает падать. При дальнейшем повышении температуры дихлорэтан полностью испаряется с сетки противоэлектрода (2), в масс-спектре исчезают линии дихлорэтана и появляются линии перфтортрибутиламина (молекулярная масса 671,1), интенсивность которых растет с повышением температуры.In FIG. 6 shows in three-dimensional representation the mass spectra of aerosol particles deposited on the counter electrode (2) containing perfluorotributylamine (boiling point 178.7 ° C) and dichloroethane (boiling point 83.5 ° C), measured with increasing temperature of the counter electrode grid (2) from 20 ° C to 150 ° C. The analysis shows that as the temperature rises to 55 ° C, only dichloroethane lines to m / z = 100 (molecular weight of dichloroethane 98.96) are present in the mass spectrum, the intensity of which increases with increasing temperature to 50 ° C and then begins to decrease. With a further increase in temperature, dichloroethane completely evaporates from the counter electrode grid (2), dichloroethane lines disappear in the mass spectrum and perfluorotributylamine lines (molecular weight 671.1) appear, the intensity of which increases with increasing temperature.

Применение заявляемого комбинированного устройства позволяет исследовать по отдельности газовую и аэрозольную компоненту аэродисперсной среды, а также включить в процесс масс-спектрометрического анализа вещества, содержащиеся в частицах аэрозоля, и тем самым существенно повысить чувствительность химического анализа.The use of the inventive combined device allows you to individually investigate the gas and aerosol components of the aerodispersed medium, and also include in the process of mass spectrometric analysis of the substances contained in the aerosol particles, and thereby significantly increase the sensitivity of chemical analysis.

Предлагаемое комбинированное устройство по сравнению с прототипом компактно и конструктивно просто, не требует дополнительных к стандартным масс-спектрометрическим системам побудителей расхода, средств откачки, контроля давления и вакуума. В то же время устройство многофункционально и позволяет выполнить следующие задачи:The proposed combined device in comparison with the prototype is compact and structurally simple, does not require additional to the standard mass spectrometric systems, flow drivers, pumping means, pressure and vacuum control. At the same time, the device is multifunctional and allows you to perform the following tasks:

- обеспечить стабильный, регулируемый поток пробы ко входу системы отбора пробы в масс-спектрометр за счет использования "электрического ветра" коронного разряда;- to provide a stable, controlled flow of the sample to the input of the sampling system in the mass spectrometer by using the "electric wind" of the corona discharge;

- определять распределение по размерам, счетную и массовую концентрацию аэрозольных частиц в аэродисперсной среде;- determine the size distribution, the calculated and mass concentration of aerosol particles in the aerodispersed medium;

- осаждать аэрозольные частицы на противоэлектроде-сетке и осуществлять накопление веществ, содержащихся в аэрозольной фазе, для увеличения чувствительности анализа (снижения порогов обнаружения заданных веществ);- to precipitate aerosol particles on the counter-electrode grid and to carry out the accumulation of substances contained in the aerosol phase to increase the sensitivity of the analysis (lower thresholds for the detection of specified substances);

- осуществлять термопрограммированную десорбцию осажденных на сетке-противоэлектроде веществ, т.е. предварительное разделение содержащихся в аэрозольных частицах веществ для повышения достоверности идентификации веществ;- carry out thermoprogrammed desorption of substances deposited on the counter-electrode grid, i.e. preliminary separation of substances contained in aerosol particles to increase the reliability of identification of substances;

- осуществлять термодеструкцию нелетучих и труднолетучих веществ, сорбированных на пылевых частицах и осаждаемых на сетке-противоэлектроде, для обнаружения и идентификации нелетучих веществ по спектрам летучих продуктов их термодеструкции;- carry out thermal decomposition of non-volatile and hardly volatile substances sorbed on dust particles and deposited on a counter-electrode, for the detection and identification of non-volatile substances from the spectra of volatile products of their thermal destruction;

- осуществлять химический анализ веществ в газовой и аэрозольной фазах аэродисперсных сред для обнаружения, идентификации и количественного определения контролируемых химических соединений в лабораторных, производственных и полевых условиях.- carry out chemical analysis of substances in the gas and aerosol phases of aerodispersed media to detect, identify and quantify controlled chemical compounds in laboratory, industrial and field conditions.

Литература:Literature:

1. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. СПб.: АНО НПО "Профессионал", 2004, раздел 10.4.3.1. New reference chemist and technologist. Processes and apparatuses of chemical technologies. SPb .: ANO NPO Professional, 2004, section 10.4.3.

2. Патент РФ RU 2459268 "Электроиндукционный пожарный извещатель", 2011 г.2. RF patent RU 2459268 "Electro-induction fire detector", 2011

3. Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды. Москва: Техносфера, 2013. - 632 с, ISBN 978-5-94836-363-9, (Перевод с англ.).3. Lebedev A.T. Mass spectrometry for the analysis of environmental objects. Moscow: Technosphere, 2013 .-- 632 s, ISBN 978-5-94836-363-9, (Translated from English).

4. Jayne, John Т.; Leard, Danna С.; Zhang, Xuefeng. "Development of an Aerosol Mass Spectrometer for Size and Composition Analysis of Submicron Particles". Aerosol Science and Technology.33: 1-2, July-August 2000, p. 49-70.4. Jayne, John T .; Leard, Danna C .; Zhang, Xuefeng. "Development of an Aerosol Mass Spectrometer for Size and Composition Analysis of Submicron Particles." Aerosol Science and Technology. 33: 1-2, July-August 2000, p. 49-70.

5. Алексеенко А. В., Якимов С.А. Применение электрогидродинамического моделирования для расчета электрической подвижности аэрозольных частиц, заряженных в коронном разряде // Вестн. Новосиб. гос.ун-та. Серия: Физика. 2016. Т. 11, №4. С. 5-16. ISSN 1818-7994. Вестник ИГУ. Серия: Физика. 2016. Том 11, №4 © А.В. Алексеенко, С.А. Якимов, 2016.5. Alekseenko A.V., Yakimov S.A. The use of electrohydrodynamic modeling for calculating the electrical mobility of aerosol particles charged in a corona discharge // Tomsk State University Journal. Novosib. gos.un-ta. Series: Physics. 2016.Vol. 11, No. 4. S. 5-16. ISSN 1818-7994. Bulletin of the ISU. Series: Physics. 2016. Volume 11, No. 4 © A.V. Alekseenko, S.A. Yakimov, 2016.

Claims (7)

1. Устройство для анализа размеров частиц и состава аэрозолей, включающее последовательно установленные вакуумируемые анализатор размера частиц аэрозолей, испаритель частиц аэрозоля, масс-спектрометр, включающий источник ионов, масс-анализатор, детектор ионов, соединенные с блоком управления и регистрации данных, отличающееся тем, что анализатор размера частиц аэрозоля выполнен в виде коронирующего электрода и противоэлектрода для зарядки частиц аэрозоля в коронном разряде и снабжен источником высоковольтного импульсного напряжения и стабилизатором тока коронного разряда, соединенными с коронирующим электродом, а также источником питания противоэлектрода и измерителем тока коронного разряда, соединенным с противоэлектродом, причем противоэлектрод является испарителем и выполнен с обеспечением нагрева до заданной температуры и сопряжен с устройством ввода пробы в источник ионов масс-спектрометра, при этом блок управления и регистрации данных подключен выходами к источнику импульсного высоковольтного питания коронирующего электрода, измерителю тока коронного разряда коронирующего электрода, источнику питания противоэлектрода и детектору ионов масс-спектрометра.1. A device for analyzing particle sizes and aerosol composition, including a series-installed evacuated aerosol particle size analyzer, an aerosol particle evaporator, a mass spectrometer including an ion source, a mass analyzer, an ion detector connected to a data recording and control unit, characterized in that the aerosol particle size analyzer is made in the form of a corona electrode and a counter electrode for charging aerosol particles in a corona discharge and is equipped with a source of high-voltage pulse voltage and a corona discharge current stabilizer connected to the corona electrode, as well as a counter electrode power source and a corona current meter connected to the counter electrode, the counter electrode being an evaporator and designed to heat up to a predetermined temperature and coupled to a device for introducing a sample into the ion source of the mass spectrometer while the control and data recording unit is connected by the outputs to the source of pulsed high-voltage power supply of the corona electrode, to the current meter of the corona corona discharge electrode, counter electrode and a power source ion detector of the mass spectrometer. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коронирующий электрод выполнен в виде острийного электрода.2. The device according to p. 1, characterized in that the corona electrode is made in the form of a pointed electrode. 3 Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коронирующий электрод выполнен сетчатым.3 The device according to p. 1, characterized in that the corona electrode is made mesh. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что противоэлектрод выполнен сетчатым с прозрачностью порядка 50-90% по отношению к потоку аэрозоля.4. The device according to claim 1, characterized in that the counter electrode is made mesh with a transparency of about 50-90% with respect to the aerosol stream. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стабилизатор тока коронного разряда установлен по схеме обратной связи с источником импульсного высоковольтного питания коронирующего электрода.5. The device according to p. 1, characterized in that the corona current stabilizer is installed according to the feedback scheme with a source of pulsed high-voltage power supply of the corona electrode. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник питания противоэлектрода снабжен датчиком температуры нагрева и стабилизатором температуры нагрева испарителя.6. The device according to p. 1, characterized in that the power source of the counter electrode is equipped with a heating temperature sensor and a stabilizer of the heating temperature of the evaporator. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство ввода пробы в источник ионов масс-спектрометра выполнено в виде селективной мембраны.7. The device according to claim 1, characterized in that the device for introducing the sample into the ion source of the mass spectrometer is made in the form of a selective membrane.
RU2019100606A 2019-01-10 2019-01-10 Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols RU2706420C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019100606A RU2706420C1 (en) 2019-01-10 2019-01-10 Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019100606A RU2706420C1 (en) 2019-01-10 2019-01-10 Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2706420C1 true RU2706420C1 (en) 2019-11-19

Family

ID=68579788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019100606A RU2706420C1 (en) 2019-01-10 2019-01-10 Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2706420C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218835U1 (en) * 2023-03-22 2023-06-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" DEVICE FOR ANALYZING CONTENT OF AEROSOLS AND HYDROCARBON VAPOR IN AIR FLOW

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU550560A1 (en) * 1975-12-24 1977-03-15 Ленинградский Институт Авиационного Приборостроения Device for measuring the dispersed composition of aerosols
RU2244289C2 (en) * 2002-09-10 2005-01-10 Автух Андрей Николаевич Method of continuous measurement of concentration of dispersed phase of aerosol and device for realization of this method
EP1655595A1 (en) * 2004-11-03 2006-05-10 Heinz Burtscher Method and device for measuring number concentration and mean diameter of particles suspended in a carrier gas
WO2012089924A1 (en) * 2010-12-31 2012-07-05 Pegasor Oy Apparatus for monitoring particles in an aerosol
US20160103504A1 (en) * 2014-10-13 2016-04-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and electronic device for operating electronic pen

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU550560A1 (en) * 1975-12-24 1977-03-15 Ленинградский Институт Авиационного Приборостроения Device for measuring the dispersed composition of aerosols
RU2244289C2 (en) * 2002-09-10 2005-01-10 Автух Андрей Николаевич Method of continuous measurement of concentration of dispersed phase of aerosol and device for realization of this method
EP1655595A1 (en) * 2004-11-03 2006-05-10 Heinz Burtscher Method and device for measuring number concentration and mean diameter of particles suspended in a carrier gas
WO2012089924A1 (en) * 2010-12-31 2012-07-05 Pegasor Oy Apparatus for monitoring particles in an aerosol
US20160103504A1 (en) * 2014-10-13 2016-04-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and electronic device for operating electronic pen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Aerosol Science and Technology.33: 1-2, July-August 2000, с. 49-70. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218835U1 (en) * 2023-03-22 2023-06-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" DEVICE FOR ANALYZING CONTENT OF AEROSOLS AND HYDROCARBON VAPOR IN AIR FLOW
RU2809333C1 (en) * 2023-09-21 2023-12-11 Общество с ограниченной ответственностью "Пожтехника" (ООО "Пожтехника") Specific optical smoke density meter

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5738997B2 (en) Method and apparatus for gas detection and identification using an ion mobility spectrometer
US6797943B2 (en) Method and apparatus for ion mobility spectrometry
US4772794A (en) Apparatus for the detection of airborne low volatility vapors
US8841609B2 (en) Detection apparatus and methods utilizing ion mobility spectrometry
JP4159252B2 (en) Atmospheric particle analyzer
EP3491659B1 (en) Low temperature plasma probe with auxiliary heated gas jet
US20190170616A1 (en) Sample probe inlet flow system
JP6495277B2 (en) Method for detecting aerosol and portable ion mobility spectrometer
CN111448639A (en) Ion source
EP2993469A1 (en) Method for analysis of sample and apparatus therefor
US20100132561A1 (en) Electrostatic charging and collection
US6943343B2 (en) Chemical agent detection apparatus and method
US7989761B2 (en) Gas analyzing method and gas analyzing apparatus
RU2706420C1 (en) Combined device for gravimetric and chemical analysis of aerosols
JP2020525754A (en) System and method for rapid elemental analysis of airborne particles using airglow discharge emission spectroscopy
US20020162967A1 (en) Simultaneous vaporization and ionization spectrometry source, accompanying spectrometer; method for simultaneous vaporization and ionization of sample particulate to produce analyte ions
JP5614379B2 (en) Discharge ionization current detector and gas chromatograph apparatus
Sujithra et al. Development of control algorithm for quadrupole mass spectrometer using LabVIEW
RU2354963C1 (en) Method of detecting organic molecules
Laitinen et al. Aerosol time-of-flight mass spectrometer for measuring ultrafine aerosol particles
JP3819146B2 (en) Monitor device
JP2006267129A (en) Analyzer
RU2577781C1 (en) Ion mobility differential spectrometer of ion trap
JPH0351052B2 (en)
EP3717894B1 (en) Spectrometry system