Дрейф-спектрометр для обнаружения микропримесей веществ в газах
Изобретение относится к газовому анализу и может использоваться для определения состава микропримесей различных веществ в газах, в частности, с помощью хроматографии. Цель изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способности обнаружения микропримесей веществ в газе. В устройство введен блок синхронизации и связанная многочастотная колебательная система. Одним из конденсаторов системы являются два параллельных электрода. Связанная многочастотная колебательная система, формирователь импульсов и блок синхронизации образуют замкнутый контур обратной связи. 4 ил. 1 табл.
Изобретение относится к газовому анализу и может использоваться для определения состава микропримесей различных веществ в газах, в частности в атмосфере. Изобретение также может применяться в газовой хроматографии в качестве чувствительного детектора с перестраиваемой избирательностью, а в ряде случаев заменять масс-спектрометр при идентификации веществ, выходящих из хроматографической колонки. Цель изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способности обнаружения микропримесей веществ в газе при одновременном снижении потребляемой мощности устройства (дрейф-спектрометра). На фиг. 1 приведена схема дрейф-спектрометра; на фиг. 2 - схема, иллюстрирующая пример конкретного выполнения дрейф-спектрометра со связанной колебательной системой (СКС), имеющей две резонансные частоты; на фиг. 3 приведены результаты анализа микропримесей вещества в газах, полученные с помощью заявляемого дрейф-спектрометра; на фиг. 4 для сравнения приведены результаты того же анализа, полученные с помощью известного дрейф-спектрометра. Дрейф-спектромер содержит камеру ионизации 1, параллельные электроды 2, образующие дрейфовый промежуток 3, систему регистрации ионов 4, формирователь импульсов 5, блок синхронизации 6, связанную колебательную систему 7, источник компенсирующего напряжения 8. Связанная колебательная система 7 (см. фиг. 2) имеет последовательно соединенные конденсатор, образованный параллельными электродами 2, основную индуктивность 9 и параллельный колебательный контур, образованный из дополнительной индуктивности 10 и дополнительного конденсатора 11. При этом основная индуктивность связана с входом блока синхронизации 6 и выходом формирователя импульсов 5 индуктивной связью с помощью двух вспомогательных катушек 12 и 13 соответственно. Выход блока синхронизации подключен к входу формирователя импульсов 5. Отношение основной индуктивности 9 к дополнительной индуктивности 10 равно двум, а отношение емкости дополнительного конденсатора 11 к емкости параллельных электродов 0,5. Дрейф-спектромер работает следующим образом. Анализируемая смесь микропримесей веществ в газе ионизируется в камере ионизации 1 и после разделения в дрейфовом промежутке 3 попадает в систему регистрации ионов 4. Прилагая к параллельным электродам 2 медленно меняющееся напряжение от источника компенсирующего напряжения 8, регистрируют весь спектр смеси ионов. Прямоугольное периодическое несимметричное по полярности напряжение, прикладываемое к электродам 2, получают, возбуждая резонанс в колебательной системе 7 с помощью формирователя импульсов 5, запускаемого по цепи обратной связи от блока синхронизации 6. В колебательной системе 7 возбуждаются колебания всех собственных частот. Их амплитуда превышает амплитуду импульсов возбуждения от формирователя импульсов в 0 раз (где 0 - добротность), причем мощность, потребляемая устройством, возбуждающим резонанс, сравнительно мала. Колебания кратных частот, возбужденные в системе, формируют на емкости, образованной параллельными электродами, напряжение, форма которого аппроксимирует требуемую с тем большей точностью, чем больше собственных частот в связанной колебательной системе. Колебания требуемой формы в системе: связанная колебательная система - формирователь импульсов - блок синхронизации, генерируются следующим образом. Колебательная система рассчитана так, что ее собственные резонансные частоты кратны числам 1,2, 3... На этих частотах коэффициент петлевого усиления больше единицы и, следовательно, система переходит в автоколебательный режим. Блок синхронизации обеспечивает равенство частоты следования импульсов возбуждения колебательной системы, поступающих от формирователя импульсов, импульсам нижней собственной частоты колебательной системы. Таким образом, на колебательную систему подается периодический сигнал специальной формы (в нашем случае прямоугольной) с частотой, равной нижней собственной частоте колебательной системы. В спектре этого сигнала присутствуют в общем случае все частоты, кратные основной, т. е. все собственные частоты колебательной системы. Поэтому резонанс возбуждается на всех частотах. Амплитуды резонансных колебаний всех частот в колебательной системе зависят от амплитуд соответствующих гармоник сигнала возбуждения. При больших амплитудах колебаний в колебательной системе эта зависимость отличается от линейной, но тем не менее позволяет изменением формы возбуждения от формирователя импульсов в определенных пределах контролировать напряжение на электродах, добиваясь максимального эффекта разделения ионов. Точность апроксимации требуемой формы напряжения зависит от числа собственных частот колебательной системы. Так, например, точный расчет для двухчастотной колебательной системы показывает, что можно добится 44% эффекта разделения ионов по сравнению с максимально получаемым при оптимальной прямоугольной форме напряжения такой же амплитуды. Для многочастотной колебательной системы величину эффекта разделения по сравнению с максимальной можно оценить по приближенной формуле 
где F - величина эффекта, %; n - число собственной частоты колебательной системы (n>2). Приведенные в примере конкретного выполнения отношения емкости дополнительного конденсатора 11 к емкости параллельных электродов 2, а основной индуктивности 9 - к дополнительной идуктивности 10 обеспечивают соотношение собственных частот колебательной системы как 1 : 2. При этом параметры формирователя импульсов подбираются такими, чтобы амплитуда колебаний низкой частоты в колебательной системе была больше амплитуды колебаний высшей частоты в два раза. При таком соотношении достигается оптимальный для двухчастотной схемы эффект разделения, равный 44% от максимального. В таблице приведены сравнительные параметры предлагаемого и известного дрейф-спектрометров, полученные экспериментально на макете. Таким образом, экспериментально подтверждены преимущества предлагаемого дрейф-спектрометра по сравнению с известным: порог обнаружения уменьшается в 50 раз, следовательно, чувствительность увеличивается в 50 раз, разрешающая способность возрастает в 2,5 раза, а потребляемая мощность снижается в 5 раз.
Формула изобретения
Дрейф-спектрометр для обнаружения микропримесей вещества в газах, включающий проточный канал, образованный последовательно размещенными камерой ионизации, двумя параллельными электродами, образующими дрейфовый промежуток, и системой регистрации ионов, а также формирователь прямоугольных несимметричных по полярности импульсов и источник компенсирующего напряжения, подключенный к параллельным электродам, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности и снижения потребляемой мощности, в дрейф-спектрометр дополнительно введены блок синхронизации и связанная многочастотная колебательная система, одним из конденсаторов которой являются два параллельных электрода, причем связанная многочастотная колебательная система, формирователь импульсов и блок синхронизации образуют замкнутый контур обратной связи.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
