Фотоионизационный детектор для газовой хроматографии (его варианты)

 

Использование: хроматографическое приборостроение. Сущность изобретения: фотоионизационный детектор содержит газоразрядную лампу с окном из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, ионизационную камеру со штуцерами для ввода и вывода газа, корпус которой выполнен из чередующихся кольцевых элементов из металла и инертного электроизоляционного материала. Образованный кольцевыми элементами внутренний канал служит рабочим объемом камеры. Металлические элементы служат поляризующим и собирающим электродами. Диаметр входного окна ионизационной камеры и внутренний диаметр ближнего к окну кольцевого металлического элемента выполнены большими внутренних диаметров остальных кольцевых элементов при условии обеспечения радиальной структуры поля в ионизационной камере. Внутренний канал кольцевого элемента из инертного электроизоляционного материала, расположенного между металлическими электродами, может быть выполнен в виде усеченного конуса вращения, большим основанием обращенного к окну ультрафиолетовой лампы. В конусном канале может быть размещен конусный элемент из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, с осевым каналом для анализируемого газа. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к хроматографическому приборостроению и заключается в совершенствовании конструкции фотоионизационного детектора (ФИД) для газовых хроматографов.

Известны фотоионизационные детекторы (ФИД), которые содержат газоразрядную лампу, излучающую в УФ-области спектра, и ионизационную камеру, через которую продувается анализируемый газ, содержащую поляризующий и измерительный электроды [1,2].

Недостатками аналогов являются неравномерное электрическое поле в ионизационной камере, создаваемое напряжением, приложенным между поляризующим и измерительным электродами, минимальное в области наибольшей концентрации зарядов (в центре ионизационной камеры) [1], либо повышенный фоновый ток и флуктуационные шумы из-за фотоэлектрического эффекта, возникающего при попадании УФ-излучения на центральный электрод [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является фотоионизационный детектор [3], содержащий газоразрядную лампу с окошком из материала, пропускающего УФ-излучение, ионизационную камеру с штуцером для ввода и вывода газа, корпус которой выполнен из чередующихся кольцевых элементов из металла и инертного электроизоляционного материала с герметизирующими прокладками между ними, причем образованный кольцевыми элементами внутренней цилиндрический канал служит рабочим объемом камеры, а металлические элементы служат поляризующим и собирающим электродами.

Недостатком прототипа является невозможность значительного увеличения диаметра ионизационной камеры для полного использования светового потока, ламп, имеющих большой диаметр пучка УФ-излучения (например, ламп с ВЧ-накачкой), а также невозможность существенного уменьшения объема ионизационной камеры без потери чувствительности детектора.

Это связано с тем, что равномерное электрическое поле в данной конструкции ионизационной камеры создается при условии, что диаметр камеры много меньше ее высоты, при этом увеличение диаметра камеры для полного использования светового потока УФ-лампы приводит к увеличению объема этой камеры и, соответственно, увеличению постоянной времени детектора. Аналогично, уменьшение объема ионизационной камеры для работы с капиллярными колонками и малыми расходами газа-носителя связано с уменьшением ее диаметра, что приводит к неполному использованию светового потока УФ-лампы, а значит, и к уменьшению чувствительности и предела обнаружения детектора.

Целью изобретения является увеличение чувствительности детектора за счет более полного использования светового потока УФ-лампы, что обеспечивается тем, что в ФИД для газовой хроматографии, содержащем источник УФ-излучения в виде газоразрядной лампы с окном из материала, пропускающего УФ-излучение, ионизационную камеру с каналами для ввода и вывода газа, корпус которой выполнен из чередующихся кольцевых элементов из металла и инертного электроизоляционного материала, причем образованный кольцевыми элементами внутренний канал служит рабочим объемом камеры, а металлические элементы служат поляризующим и собирающим электродами, диаметр входного окна ионизационной камеры и внутренний диаметр ближнего к окну кольцевого металлического элемента выполнены большими внутренних диаметров элемента из инертного электроизоляционного материала и второго металлического элемента при условии обеспечения радиальной структуры поля в ионизационной камере.

Согласно второму варианту изобретения, внутренний канал кольцевого элемента из инертного электроизоляционного материала, расположенного между металлическими элементами, выполнен в виде усеченного конуса вращения, большим основанием обращенного к окну УФ-лампы, причем в упомянутом конусном канале размещен конусный элемент из материала, пропускающего УФ-излучение с осевым каналом для анализируемого газа.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных устройства решают одну и ту же задачу - увеличение чувствительности детектора принципиально одними и теми же конструктивными средствами.

На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция ФИД по первому варианту формулы изобретения. В состав детектора входит лампа 1, излучающая фотоны в УФ-области спектра с окошком 2 из материала, пропускающего УФ-излучение, которая прижата к ионизационной камере, выполненной в виде кольцевых элементов 3, 6, 8 из электроизоляционного материала, чередующихся с кольцевыми элементами 5, 7 из металла, являющимися собирающим и поляризующим электродами. Рабочий объем 10 ионизационной камеры образован внутренними поверхностями кольцевых элементов 3, 5, 6, 7. Ввод и вывод анализируемого газа в ионизационную камеру осуществляется по каналам 9, 4.

Фотоионизационный детектор работает следующим образом. Анализируемый газ по каналу 9 поступает, а по каналу 4 выводится из ионизационной камеры, в которую через выходное окно 2 лампы 1 попадает УФ-излучение, ионизирующее молекулы анализируемого газа в случае, когда потенциал ионизации этих молекул меньше энергии фотонов, излучаемых лампы. Образовавшиеся заряды под воздействием поля, созданного в камере поляризующим напряжением между электродами, собираются на электродах и создают полезный сигнал - увеличение тока.

Величина сигнала определяется концентрацией вещества в рабочем объеме ионизационной камеры и природой вещества. Рабочий объем камеры ограничивается сверху условием обеспечения неоднократной смены анализируемого газа в камере за время прохождения пика анализируемого вещества, чтобы не было размывания пиков.

В предлагаемой конструкции ФИД увеличение диаметра ионизационной камеры компенсируется уменьшением ее высоты, что позволяет сохранить оптимальный объем камеры. При диаметре камеры, большем ее высоты радиальная структура поля обеспечивается соотношением диаметров электродов в ионизационной камере. При отношении диаметров электродов 10:1 и более поле в камере приобретает практически совершенную радиальную структуру, как в конструкции, описанной в [1] (но при этом нет засветки центрального электрода УФ-излучением лампы), с неравномерностью напряженности поля не более 10%, при отношении диаметров 5:1 неравномерность поля составляет ≈20%, при отношении 2:1 ≈50%. Выбор соотношения диаметров электродов определяется требованиями к параметрам детектора.

Испытания данной конструкции ионизационной камеры, оптимизированной для работы с УФ-лампой с диаметром пучка излучения 10 мм (с ВЧ-накачкой) дали следующие результаты: фон 10^-11А, шум 4˙10^-14А, предел обнаружения по пропану 2˙10^-13 г/см³. То есть уровень фона и шума примерно такой же, как у прототипа, а предел обнаружения более чем на порядок ниже за счет полного использования светового потока лампы.

На фиг.2 изображен второй вариант выполнения ФИД. Назначение всех элементов конструкции (поз.1-10) то же, что и фиг.1, только кольцевой элемент из электроизоляционного материала имеет конусный внутренний канал. Электрическое поле в ионизационной камере детектора имеет, как и в прототипе, продольную структуру. Уменьшение объема камеры по сравнению с прототипом обусловлено введением конусного элемента. Угол при вершине конуса выбирается таким, чтобы УФ-излучение лампы, падающее на стенки конуса, почти полностью отражалось обратно в камеру (30^о).

Еще большее уменьшение рабочего объема ионизационной камеры достигнуто в варианте конструкции по п.3 формулы изобретения (см. фиг.3). В конструкцию дополнительно введен конусный элемент 11 из материала, пропускающего УФ-излучение, с осевым каналом для анализируемого газа, причем объем канала является частью рабочего объема ионизационной камеры. Условия выбора угла при вершине конуса такие же, как и во втором варианте. УФ-излучение лампы, прошедшее через торец элемента 11, отражается от конусной боковой стенки и попадает в центр элемента 11, где проходит осевой канал, служащий частью рабочего объема ионизационной камеры.

В данном варианте конструкции - высокая эффективность использования светового потока лампы, появились лишь незначительные дополнительные потери на поглощение УФ-излучения в элементе 11.

Сравнение ФИД с ионизационными камерами одинакового объема, выполненными по пунктам формулы изобретения и прототипа, показало сравнимый уровень фонового сигнала и шумов, но более низкий (в 1,5-3 раза) предел обнаружения, чем у прототипа.

Формула изобретения

ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ (ЕГО ВАРИАНТЫ).

1. Фотоионизационный детектор для газовой хроматографии, содержащий источник ультрафиолетового излучения в виде газоразрядной лампы с окном из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, ионизационную камеру со штуцерами для ввода и вывода газа, корпус которой выполнен из чередующихся кольцевых элементов из металла и инертного электроизоляционного материала, причем образованный кольцевыми элементами внутренний канал служит рабочим объемом камеры, а металлические элементы служат поляризующим и собирающим электродами, отличающийся тем, что диаметр входного окна ионизационной камеры и внутренний диаметр ближнего к окну кольцевого металлического элемента выполнены большими внутренних диаметров элемента из инертного электроизоляционного материала и второго металлического элемента при условии обеспечения радиальной структуры поля в ионизационной камере.

2. Фотоионизационный детектор для газовой хроматографии, содержащий источник ультрафиолетового излучения в виде газоразрядной лампы с окном из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, ионизационную камеру со штуцерами для ввода и вывода газа, корпус которой выполнен из чередующихся кольцевых элементов из металла и инертного электроизоляционного материала, причем образованный кольцевыми элементами внутренний канал служит рабочим объемом камеры, а металлические элементы служат поляризующим и собирающим электродами, отличающийся тем, что внутренний канал кольцевого элемента из инертного электроизоляционного материала, расположенного между металлическими элементами, выполнен в виде усеченного конуса вращения, большим основанием обращенного к окну ультрафиолетовой лампы.

3. Детектор по п.2, отличающийся тем, что во внутреннем канале размещен конусный элемент из материала, пропускающего ультрафиолетовое излучение, с осевым каналом для анализируемого газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3