RU2405226C1

RU2405226C1 - Barrier discharge-based ionisation source

Info

Publication number: RU2405226C1
Application number: RU2009147216/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Власов (RU); Михаил Юрьевич Власов; Александр Николаевич Платанчев (RU); Александр Николаевич Платанчев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ВИНТЕЛ"
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2010-11-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed ionisation source consists of ionisation chamber comprising inducing electrode secured to dielectric plate surface and corona-forming electrode arranged opposite said inducing electrode, and high-voltage pulse source. Note here that corona-forming electrode is separated fro dielectric plate surface by 10-100 mcm-gas gap. Note also that purified gas feed system is connected to ionisation chamber to control rate of gas volume flow.

EFFECT: control over composition and amount of generated ions, higher sensitivity of detecting trace amount of substances in gas phase.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для генерации положительно и отрицательно заряженных ионов из очищенного воздуха или других газов. Изобретение предназначено для применения в качестве ионизатора в спектрометрах ионной подвижности, масс-спектрометрах и других аналитических приборах.The invention relates to the field of gas analysis and can be used to generate positively and negatively charged ions from purified air or other gases. The invention is intended for use as an ionizer in ion mobility spectrometers, mass spectrometers and other analytical instruments.

Одним из применений источников ионизации является детектор спектрометра ионной подвижности. В большинстве спектрометров ионной подвижности и, особенно портативных, применяют радиоактивные источники ионизации, на основе радиоактивных веществ ,таких как тритий и никель 63, являющихся источниками бета-излучения. В результате ионизации, под воздействием бета-излучения, при атмосферном давлении в области ионизации образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти ионы впоследствии взаимодействуют с молекулами веществ, подлежащих обнаружению, с образованием ионных кластеров, которые разделяются в электрическом поле и регистрируются измерительной системой.One of the applications of ionization sources is the ion mobility spectrometer detector. Most ion mobility spectrometers, and especially portable ones, use radioactive ionization sources based on radioactive substances such as tritium and nickel 63, which are sources of beta radiation. As a result of ionization, under the influence of beta radiation, at atmospheric pressure, positively and negatively charged ions are formed in the ionization region. These ions subsequently interact with the molecules of the substances to be detected, with the formation of ionic clusters, which are separated in an electric field and recorded by the measuring system.

Преимуществами радиоактивных источников ионизации являются их простота, стабильность и отсутствие электрических помех. Кроме того, эти источники не потребляют дополнительной энергии. Тем не менее существуют нормативные препятствия, затрудняющие применение приборов с такими источниками ионизации, которые связаны с требованиями безопасности эксплуатации радиоактивных источников ионизации и проблемами их утилизации.The advantages of radioactive ionization sources are their simplicity, stability and lack of electrical interference. In addition, these sources do not consume additional energy. Nevertheless, there are regulatory obstacles that impede the use of devices with ionization sources that are associated with the safety requirements for the operation of radioactive ionization sources and the problems of their disposal.

Альтернативой радиоактивному источнику ионизации для применения в спектрометрах ионной подвижности может быть источник ионизации на коронном разряде. Преимуществом ионизатора на коронном разряде является возможность получения более высоких концентраций ион-реагента, чем в случае применения радиоактивного источника ионизации. Это приводит к снижению пределов обнаружения токсических веществ и расширяет концентрационный динамический диапазон. Кроме того, ионизаторы на коронном разряде имеют более низкую стоимость. При генерации положительных ионов состав образуемых в радиоактивном ионизаторе и ионизаторе на коронном разряде ионов практически идентичен. При генерации отрицательных ионов источник ионизации на коронном разряде имеет существенный недостаток - это сложный и не оптимальный состав, в котором преобладают малоактивные ионы оксидов азота, оксидов углерода и озона при незначительном содержании высокоактивных ионов кислорода. [M.Tabrizchi, T.Khayamian, N.Taj, Rev. Sci. Instr. 71 (2000) 2321].An alternative to a radioactive ionization source for use in ion mobility spectrometers may be a corona discharge ionization source. The advantage of a corona discharge ionizer is the possibility of obtaining higher concentrations of the ion reagent than in the case of using a radioactive ionization source. This leads to lower detection limits for toxic substances and expands the concentration dynamic range. In addition, corona discharge ionizers have a lower cost. When generating positive ions, the composition of the ions formed in the radioactive ionizer and ionizer on the corona discharge is almost identical. When generating negative ions, the corona discharge ionization source has a significant drawback - it is a complex and not optimal composition, in which low-activity ions of nitrogen oxides, carbon oxides and ozone prevail with a low content of highly active oxygen ions. [M. Tabrizchi, T. Khayamian, N. Taj, Rev. Sci. Instr. 71 (2000) 2321].

При этом ряд факторов существенно влияет на ионный состав, и, как следствие, на пределы обнаружения токсических веществ. Такими факторами являются постоянный или переменный характер напряжения, приложенного к ионизатору на коронном разряде, величина напряжения, потенциал смещения. Также имеет значение конструкция ионизатора. Кроме того, влияние на ионный состав может оказывать направление и скорость газовых потоков в ионизационной камере [Andrew J Bell and Stuart K Ross, Reverse Flow Continuous Corona Discharge lonisation, IJIMS 5(2002) 95-99]. При оптимальных значениях постоянного напряжения и значительных величинах скорости газовых потоков доля высокоактивных ионов кислорода может достигать одной трети от доли малоактивных ионов.Moreover, a number of factors significantly affect the ionic composition, and, as a consequence, the limits of detection of toxic substances. Such factors are the constant or variable nature of the voltage applied to the corona discharge ionizer, the magnitude of the voltage, the bias potential. The ionizer design also matters. In addition, the direction and velocity of gas flows in the ionization chamber can affect the ionic composition [Andrew J Bell and Stuart K Ross, Reverse Flow Continuous Corona Discharge lonisation, IJIMS 5 (2002) 95-99]. With optimal values of constant voltage and significant values of the velocity of gas flows, the fraction of highly active oxygen ions can reach one third of the fraction of low-activity ions.

В качестве прототипа рассматривается патент США №7,157,721 от 02.02.2007, в котором предложен источник ионизации для генерации отрицательных ионов, состоящий из диэлектрической пластины, к которой с противоположенных сторон прикреплены электроды, отличающиеся по размеру. Далее в описании изобретения больший электрод назван индуцирующим, меньший - коронирующим. Для генерации ионов к электродам подводится высоковольтное радиочастотное напряжение. Форма и периметр коронирующего электрода 1 определяет количество генерируемых ионов. Когда источник ионизации находится в замкнутом объеме, в основном образуются ионы оксидов азота, а в открытом объеме образуются преимущественно ионы оксидов углерода и в незначительном количестве ионы кислорода и озона. При применении такого источника ионизации в детекторе ионной подвижности может быть проведено детектирование гексогена и нитроглицерина. Однако при применении данного источника ионизации не могут быть обнаружены следовые количества многих классов химических веществ, вступающих во взаимодействие только с ионами кислорода.As a prototype, US Patent No. 7,157,721 of 02/02/2007 is considered, in which an ionization source for generating negative ions is proposed, consisting of a dielectric plate to which electrodes of different sizes are attached on opposite sides. Further in the description of the invention, the larger electrode is called inducing, the smaller - corona. To generate ions, a high voltage radio frequency voltage is applied to the electrodes. The shape and perimeter of the corona electrode 1 determines the number of generated ions. When the ionization source is in a closed volume, nitrogen oxide ions are mainly formed, and in the open volume, mainly carbon oxide ions and a small amount of oxygen and ozone ions are formed. When using such an ionization source in an ion mobility detector, hexogen and nitroglycerin can be detected. However, when using this ionization source, trace amounts of many classes of chemicals that interact only with oxygen ions cannot be detected.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность управления составом и количеством генерируемых ионов для расширения списка обнаруживаемых веществ.The objective of the invention is the ability to control the composition and number of generated ions to expand the list of detectable substances.

Для решения поставленной задачи предложен источник ионизации на основе барьерного разряда, состоящий из ионизационной камеры, включающей индуцирующий электрод, прикрепленный к поверхности диэлектрической пластины и коронирующий электрод, расположенный напротив индуцирующего электрода, а также источника импульсов высокого напряжения, причем коронирующий электрод отделен от поверхности диэлектрической пластины газовым промежутком 10-100 мкм, а к ионизационной камере подключена система подачи очищенного газа, выполненная с возможностью регулирования объемной скорости газового потока.To solve this problem, an ionization source based on a barrier discharge is proposed that consists of an ionization chamber including an induction electrode attached to the surface of the dielectric plate and a corona electrode located opposite the induction electrode and a high voltage pulse source, the corona electrode being separated from the surface of the dielectric plate a gas gap of 10-100 μm, and a purified gas supply system connected to the ionization chamber is configured to w regulating the space velocity of the gas stream.

Сущность изобретения заключается в том, что предложенная совокупность признаков позволяет генерировать как положительные, так и отрицательные ионы, причем состав и количество отрицательных ионов может управляться в зависимости от напряжения и объемной скорости газового потока в ионизационной камере. С помощью предлагаемого источника ионизации на основе барьерного заряда появляется возможность обнаружения химических веществ, например, в детекторе спектрометра ионной подвижности, ранее затрудненных или невозможных к обнаружению при помощи существующих источников на основе коронного разряда.The essence of the invention lies in the fact that the proposed set of features allows you to generate both positive and negative ions, and the composition and number of negative ions can be controlled depending on the voltage and volumetric velocity of the gas stream in the ionization chamber. Using the proposed ionization source based on the barrier charge, it becomes possible to detect chemicals, for example, in the detector of the ion mobility spectrometer, previously difficult or impossible to detect using existing sources based on corona discharge.

На фигуре 1 изображена схема источника ионизации на основе барьерного разряда.The figure 1 shows a diagram of an ionization source based on a barrier discharge.

На фигуре 2 изображена схема установки для регистрации спектров ионной подвижности.The figure 2 shows a diagram of a setup for recording spectra of ionic mobility.

На фигуре 3 изображена спектрограмма смеси метилсалицилатаThe figure 3 shows the spectrogram of a mixture of methyl salicylate

Схема источника ионизации, изображенного на фигуре 1, включает ионизационную камеру 1, впускной патрубок 2 и выпускной патрубок 3, присоединенные к ионизационной камере 1. Диэлектрическая пластина 4, изготовленная из оксида алюминия или двух, или трехкомпонентных оксидных материалов с диэлектрической проницаемостью не ниже 20 и шлифованной поверхностью шероховатостью Rz величиной не менее 2-5 мкм, вмонтирована в ионизационную камеру 1. Индуцирующий электрод 5 прикреплен к поверхности диэлектрической пластины 4. Коронирующий электрод 6 расположен на расстоянии 10-100 мкм от диэлектрической пластины 4. Источник высоковольтного напряжения 7 подключен к индуцирующему электроду 5 и коронирующему электроду 6. Вытягивающий электрод 8 вмонтирован в ионизационную камеру, а система подачи очищенного газа (воздуха) 9 подключена к впускному патрубку 2. Коронирующий электрод 6 может быть выполнен в виде диска толщиной 0,1-0,2 мм и, предпочтительно, изготовлен из никеля или золота. Рабочая зона диска расположена напротив индуцирующего электрода и представляет собой группу профилированных отверстий с заостренной рабочей кромкой. В другом исполнении коронирующий электрод может быть выполнен в виде кольца с закрепленными в рабочей зоне одной или несколькими металлическими проволоками диаметром 0,015-0,024 мм. Материал проволок - предпочтительно золото, никель. Возможно применение проволок из других металлов, таких как W, Pt, Nb, Та.The diagram of the ionization source shown in figure 1 includes an ionization chamber 1, an inlet pipe 2 and an outlet pipe 3 connected to the ionization chamber 1. A dielectric plate 4 made of aluminum oxide or two or three-component oxide materials with a dielectric constant of at least 20 and polished surface with a roughness of Rz of at least 2-5 microns, mounted in the ionization chamber 1. An induction electrode 5 is attached to the surface of the dielectric plate 4. The corona electrode 6 is located wives at a distance of 10-100 microns from the dielectric plate 4. The source of high voltage voltage 7 is connected to the induction electrode 5 and the corona electrode 6. The extractor electrode 8 is mounted in the ionization chamber, and the purified gas (air) supply system 9 is connected to the inlet pipe 2. Corona the electrode 6 can be made in the form of a disk with a thickness of 0.1-0.2 mm and, preferably, made of nickel or gold. The working area of the disk is located opposite the induction electrode and is a group of profiled holes with a pointed working edge. In another embodiment, the corona electrode can be made in the form of a ring with one or more metal wires fixed in the working area with a diameter of 0.015-0.024 mm. The material of the wires is preferably gold, nickel. It is possible to use wires from other metals, such as W, Pt, Nb, Ta.

Для улучшения условий ионизации поверхность диэлектрической пластины со стороны коронирующего электрода должна обладать определенной шероховатостью Rz величиной не менее 2-5 мкм.To improve the ionization conditions, the surface of the dielectric plate on the side of the corona electrode should have a certain roughness Rz of at least 2-5 microns.

Для генерации ионов на источник ионизации на основе импульсного объемного барьерного заряда подается высоковольтное напряжение величиной 1-2 кВ при наличии подставки напряжением до 1 кВ.To generate ions, a high-voltage voltage of 1-2 kV is supplied to the ionization source based on a pulsed volumetric charge in the presence of a stand with a voltage of up to 1 kV.

В другом варианте на ионизатор подается высоковольтное напряжение радиочастоты величиной 1-2 кВ при наличии подставки до 1 кВ.In another embodiment, a high-voltage radio frequency voltage of 1-2 kV is supplied to the ionizer in the presence of a stand up to 1 kV.

Ионный состав отрицательных ионов может изменяться от от O₂-, CO₂·O₂- и (H₂O)nO₂ до NOx-, CO₃- и O₃- в зависимости от величины высоковольтного напряжения и объемной скорости очищенного воздуха, поступающего в ионизационную камеру.The ionic composition of negative ions can vary from O ₂ -, CO ₂ · O ₂ - and (H ₂ O) nO ₂ to NOx-, CO ₃ - and O ₃ - depending on the magnitude of the high voltage voltage and the volumetric velocity of the purified air entering into the ionization chamber.

Состав положительных ионов остается практически постоянным.The composition of positive ions remains almost constant.

Количество генерируемых ионов может управляться за счет величины высоковольтного напряжения и конструкции коронирующего электрода.The number of generated ions can be controlled by the magnitude of the high voltage voltage and the design of the corona electrode.

При применении источники ионизации на основе объемного барьерного разряда в ион-дрейфовом спектрометре для генерации положительно и отрицательно заряженных ионов в ионизационной камере при атмосферном давлении в среде очищенного воздуха или других газов коронирующий электрод 6 так же является выталкивающим электродом.When using ionization sources based on a volume barrier discharge in an ion-drift spectrometer to generate positively and negatively charged ions in an ionization chamber at atmospheric pressure in a medium of purified air or other gases, the corona electrode 6 is also an ejection electrode.

Источник высоковольтного напряжения 7 производит управляемые импульсы высокого напряжения величиной 0,5-2 кВ с частотой 10-50 Гц, при наличии подставки высоковольтного напряжения величиной до 1 кВ, в другом варианте высоковольтный источник производит высоковольтное напряжение радиочастоты величиной 0,5-2 кВ при наличии подставки высоковольтного напряжения величиной до 1 кВ.The high-voltage voltage source 7 produces controlled high-voltage pulses of 0.5-2 kV with a frequency of 10-50 Hz, if there is a high-voltage voltage stand up to 1 kV, in another embodiment, the high-voltage source produces a high-voltage radio frequency of 0.5-2 kV at presence of high voltage stand up to 1 kV.

При приложении высоковольтного напряжения между индуцирующим электродом 5 и коронирующим электродом 6 возникает коронный разряд, который ионизирует молекулы воздуха. На поверхности диэлектрической пластины 4 с определенной шероховатостью Rz, не менее 2-5 мкм, за счет возникновения локальных неоднородностей электрического поля, условия ионизации улучшаются. Во время ионизации идет процесс диссоциации молекул кислорода, что в дальнейшем приводит к образованию озона и окислов азота, следствием чего происходит образование малоактивных ионов. Для предотвращения этого негативного процесса область ионизации обдувается чистым сухим газом (воздухом), который создается системой подачи очищенного газа 9 и подается через входной патрубок 2. Молекулы озона и окислы азота удаляются из ионизационной камеры через выпускной патрубок 3.When a high voltage voltage is applied, a corona discharge arises between the induction electrode 5 and the corona electrode 6, which ionizes the air molecules. On the surface of the dielectric plate 4 with a certain roughness Rz, not less than 2-5 μm, due to the occurrence of local inhomogeneities of the electric field, the ionization conditions are improved. During ionization, the process of dissociation of oxygen molecules occurs, which subsequently leads to the formation of ozone and nitrogen oxides, resulting in the formation of inactive ions. To prevent this negative process, the ionization region is blown with clean dry gas (air), which is created by the purified gas supply system 9 and is supplied through the inlet pipe 2. Ozone molecules and nitrogen oxides are removed from the ionization chamber through the exhaust pipe 3.

На фигуре 2 приведена схема установки, на которой регистрировались спектры ионной подвижности. Источник ионизации на основе барьерного разряда 10 присоединен к детектору спектрометра ионной подвижности 11, ток, создаваемый ионами, образующимися в детекторе, преобразуется усилителем 12 и отображается устройством регистрации 13. Для определения доли высокоактивных ионов кислорода в детектор спектрометра ионной подвижности вводился метилсалицилат. На фигуре 3 приведен вид спектра метилсалицилата. Молекулы метилсалицилата образуют кластеры только с ионами кислорода и не взаимодействуют с малоактивными ионами. Подвижность ионов кислорода составляет 2,16 см²В^-1с^-1 и на спектре ионной подвижности ионам кислорода соответствует пик 14 (6,4 мс). Подвижность кластера молекулы метилсалицилата с ионом кислорода 1,56 см²В^-1с^-1, что соответствует на спектре пику 15 (9,8 мс). [Andrew J Bell and Stuart К Ross, Reverse Flow Continuous Corona Discharge lonisation, IJIMS 5(2002) 95-99]. По соотношению пиков видно, что в ионизированном воздухе преобладают ионы кислорода.The figure 2 shows the setup diagram, which recorded the spectra of ionic mobility. An ionization source based on a barrier discharge 10 is connected to the detector of the ion mobility spectrometer 11, the current generated by the ions formed in the detector is converted by the amplifier 12 and displayed by a recording device 13. Methyl salicylate was introduced into the detector of the ion mobility spectrometer. The figure 3 shows a spectrum view of methyl salicylate. Methyl salicylate molecules form clusters only with oxygen ions and do not interact with inactive ions. The mobility of oxygen ions is 2.16 cm ² V ^-1 s ^-1 and peak 14 (6.4 ms) corresponds to the oxygen ion spectrum of oxygen ions. The mobility of the cluster of the methyl salicylate molecule with an oxygen ion of 1.56 cm ² V ^-1 s ^-1 , which corresponds to a peak of 15 (9.8 ms) in the spectrum. [Andrew J Bell and Stuart K. Ross, Reverse Flow Continuous Corona Discharge lonisation, IJIMS 5 (2002) 95-99]. The peak ratio shows that oxygen ions predominate in ionized air.

Claims

1. Источник ионизации на основе барьерного разряда, состоящий из ионизационной камеры, включающей индуцирующий электрод, прикрепленный к поверхности диэлектрической пластины, и коронирующий электрод, расположенный напротив индуцирующего электрода, а также источника импульсов высокого напряжения, отличающийся тем, что коронирующий электрод отделен от поверхности диэлектрической пластины газовым промежутком 10-100 мкм, а к ионизационной камере подключена система подачи очищенного газа с возможностью регулирования объемной скорости газового потока.1. An ionization source based on a barrier discharge, consisting of an ionization chamber including an induction electrode attached to the surface of the dielectric plate, and a corona electrode located opposite the induction electrode, as well as a high voltage pulse source, characterized in that the corona electrode is separated from the dielectric surface plates with a gas gap of 10-100 μm, and a purified gas supply system with the ability to control the gas volume velocity is connected to the ionization chamber lumen output.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина изготовлена из оксида алюминия и/или двух или трехкомпонентных оксидных керамических материалов с диэлектрической проницаемостью не ниже 20.2. The source according to claim 1, characterized in that the dielectric plate is made of aluminum oxide and / or two or three-component oxide ceramic materials with a dielectric constant of at least 20.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что поверхность диэлектрической пластины со стороны коронирующего электрода обладает шероховатостью Rz величиной не менее 2-5 мкм.3. The source according to claim 1, characterized in that the surface of the dielectric plate on the side of the corona electrode has a roughness Rz of at least 2-5 microns.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что коронирующий электрод выполнен в виде кольца с закрепленными в рабочей зоне как минимум одной металлической проволокой диаметром 0,015-0,025 мм. 4. The source according to claim 1, characterized in that the corona electrode is made in the form of a ring with at least one metal wire with a diameter of 0.015-0.025 mm fixed in the working area.