Способ газового анализа с импульсной ионизацией исследуемой смеси в барьерном разряде

 

Изобретение относится к области газового анализа. Способ основан на ионизации исследуемой газовой смеси в барьерном разряде. Информацию о составе смеси получают, измеряя величину заряда переносимого ионным током, возникающим под влиянием коллекторного поля. Технический результат - создание экологически безопасного, с упрощенной технологией способа анализа. 5 ил.

Изобретение относится к технике газового анализа и может найти применение при определении примесей H₂ к воздуху в диапазоне концентраций от 0 до 2%, CO₂ к воздуху в диапазоне от 0 до 1%, CO к воздуху в диапазоне от 0 до 0,5% и CO₂ к азоту в диапазоне от 0 до 1%.

Известны газоаналитические способы, в которых осуществляется ионизация исследуемой газовой смеси в гелиевой или аргоновой плазме СВЧ-разряда [1]. Плазма при атмосферном давлении образуется благодаря созданию сильного СВЧ-поля в резонаторе, представляющем собой полый металлический резервуар. В резонатор помещена разрядная трубка, где и возникает плазма. Для обеспечения стабильности ее характеристик стенки разрядной трубки охлаждаются с использованием водяной бани. Информацию о составе анализируемой смеси получают, регистрируя и анализируя спектр излучения плазмы. К недостаткам способа можно отнести его технологическую сложность, обусловленную необходимостью использования устройств для получения гелиевой или аргоновой плазмы при атмосферном давлении со стабильными характеристиками и приборов для регистрации спектра излучения.

Наиболее близким техническим решением является ионизационный газоаналитический способ [2, 3]. Исследуемая газовая смесь ионизируется β-излучением или в пламени водородной горелки, а затем осуществляется измерение тока ионизации, который пропорционален поперечным сечениям ионизации составляющих компонентов анализируемой смеси.

Недостатками способа являются его определенная экологическая опасность, обусловленная использованием для ионизации радиоактивного излучения или пламени водородной горелки, и малые значения ионизационных токов, несущих информацию о составе газовой смеси ≈10^-8-10^-10 А.

Цель изобретения состоит в создании экологически безопасного, с упрощенной технологией изготовления ионизационного способа газового анализа.

Поставленная задача достигается тем, что ионизация исследуемой газовой смеси осуществляется в барьерном разряде. Способ фактически реализован на устройстве, представляющем собой совокупность разрядной и дрейфовой камер. В первой возникает разряд между заземленным металлическим электродом - сеткой из латунной проволоки диаметром 40 мкм, с шагом 100 мкм и электродом с диэлектрическим покрытием, выполненным из конденсаторной керамики на основании титаната бария с химической формулой Ba_0,95Ga_0,05(Ti_0,95Sr_0,95)O₃ и ε = 3500. Емкость диэлектрического покрытия составляет 10^-9 Ф. На электрод с диэлектрическим покрытием подается импульс напряжения положительной полярности с тиристорного формирователя. Его амплитуда составила ≈ 2 кB, а фронт ≈ 25 нс. При этом между ним и сеткой, находящейся на расстоянии 0,5 мм, возникает разряд, для которого температура ионов Т ≈ 300 К, электронов ≈ 7,2 ·10^-4 К и концентрация электронов ≈ 10¹² см³. Разряд носит объемный характер в смесях воздуха с добавками CO, CO₂, H₂ и азота с добавками CO₂ при атмосферном давлении. Объемность обусловлена пространственным перекрытием электронных лавин, создаваемых первичными носителями - электронами, выходящими за счет автоэлектронной эмиссии с поверхности латунной сетки под действием электрического поля между электродом и сеткой. Их количество составляет величину ≈ 10000. Через область разряда прокачивается исследуемая газовая смесь со скоростью ν ≈ 0,84 л/мин. Объемность разряда обеспечивает ее равномерную ионизацию. В процессе разряда происходят перенос и накопление носителей отрицательного заряда (электронов) около диэлектрической поверхности. При этом возникает электрическое поле, компенсирующее поле, существующее на разрядном промежутке за счет подачи на электрод с диэлектрическим покрытием импульса напряжения. Таким образом ограничивается развитие разряда в процессе перезарядки электрода с диэлектрическим покрытием, что в свою очередь обеспечивает стабильность и неизменность характеристик разряда: амплитуда разрядного тока ≈ 20 А, заряд, переносимый к поверхности диэлектрика ≈ 10^-7 Кл, длительность импульса разрядного тока ≈ 100 нс. И соответственно неизменность указанных выше характеристик. Они воспроизводятся абсолютно точно при подаче на электрод импульсов напряжения. Частота подачи импульсов напряжения составляет 1 Гц. В дрейфовой камере, ограниченной с одной стороны сеткой, находится коллектор - медный электрод, на который подано постоянное напряжение, отрицательной полярности ≈ 500 В. В промежутке между ним и сеткой возникает электрическое поле, под влиянием которого из разрядной камеры вытягиваются положительные ионы и дрейфуют в направлении к коллектору. При этом в его цепи наводится ток (ионный ток). Концентрация ионов в дрейфовом промежутке составляет ≈ 10¹⁰ см³. Амплитудное значение импульсов коллекторного тока ≈ 10^-5-10^-4 A. Функциональная схема газоаналитического датчика, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 1.

Информацию о содержании добавок в газовых смесях получают, измеряя заряд, переносимый ионным током. Он изменяется в зависимости от концентрации добавок CO, CO₂, H₂ к воздуху и CO₂ к азоту. По результатам измерения заряда для эталонных смесей с заранее известным содержанием добавок строят графики зависимости заряда в мкКл от концентрации добавки в %. Каждое измерение осуществляется по сотне импульсов. На фиг. 2а приведена зависимость для смеси воздуха с CO₂, на фиг. 2б - для смеси воздуха с CO, на рис. 2в - для смеси воздуха с H₂, на фиг. 2г - для смеси азота с CO₂.

Применение метода позволило регистрировать добавки CO₂ к воздуху в диапазоне концентраций от 0 до 10^-2% с точностью ~ 5·10^-4%, в интервале от 10^-2 до 10^-1% - с точностью ~ 6·10^-3%, от 0,1 до 0,5% - с точностью ~ 1,5·10^-2%, от 0,5 до 1,0 % - с точностью ~ 3·10^-3%. Добавки CO к воздуху в интервале от 0 до 0,1% - с точностью ~ 10^-2%, от 0,1 до 0,4% - с точностью ~ 2·10^-2%, от 0,4 до 0,5% - с точностью ~ 2,5·10^-2%. Добавки H₂ к воздуху в интервале от 0 до 10^-1% - с точностью ~ 10^-2%, от 0,1 до 0,5% - с точностью ~ 2·10^-2%, от 0,5 до 2,0 % - с точностью ~ 5·10^-2%. Добавки CO₂ к азоту в интервале от 0 до 0,1% - с точностью ~ 3·10^-3%, от 0,1 до 0,5% - с точностью ~ 2,5·10^-2%, от 0,5 до 1,0 % - с точностью ~5·10^-2%.

Однозначная зависимость заряда от концентрации добавок объясняется тем, что ионный ток определяется током газового разряда, который за счет перезарядки электрода с диэлектрическим покрытием ограничивается на стадии экспоненциального развития I раз ~ exp(αντ), где ν - скорость дрейфа электронов; α - первый коэффициент ионизации Таунсенда; τ - время.

Коэффициент ионизации газовой смеси определяется коэффициентами ионизации ее отдельных компонентов. Поэтому даже малые добавки, незначительно изменяющие α, приводят к изменению разрядного и соответственно ионного токов.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает положительный эффект, заключающийся в том, что получаем возможность осуществить технологически простой и экологически безопасный анализ указанных газовых смесей при значении амплитуды ионного тока ≈10^-5-10^-4А, что достигается за счет ионизации в барьерном разряде.

ЛИТЕРАТУРА 1. Баффингтон Р. Применение атомно- эмиссионной спектроскопии в высокочастотном разряде для газовой хроматографии. Пер. с англ. - М.: Мир, 1994, с. 77.

2. Павленко В.Я. Газоанализаторы. - М.: Машиностроение, 1965, с 295.

3. Ионизационный хроматограф FB-4 фирмы Шендон с четырьмя сменными детекторами: Каталог фирмы Шендон Сантифин Компани.

Формула изобретения

Ионизационный способ газового анализа для определения примесей CO, CO₂, H₂ в воздухе и CO₂ в азоте при атмосферном давлении, отличающийся тем, что импульсная ионизация исследуемой смеси осуществляется в барьерном разряде между электродом с диэлектрическим покрытием и заземленным металлическим электродом-сеткой, а концентрацию примеси определяют по величине заряда переносимого ионным током.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5